新型太阳能电池技术层出不穷，其中包括铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池、钙钛矿太阳能电池和Kesterite太阳能电池等。然而，单晶硅（c-Si）太阳能电池凭借其**的材料质量、成熟的制造工艺以及*效的光电转换效率（PCE），在商用领域依然占据绝对主导地位，市场份额超过90%。尽管如此，提升c-Si太阳能电池的光电转换效率仍是推动其广泛应用的关键所在，因为PCE的每1%增长都能带来约7%的成本降低。

为了提升c-Si太阳能电池的PCE，研究者们广泛聚焦于改进电池结构和制造工艺。目前，通过采用钝化发射极和背面电池（PERC）、隧道氧化物钝化接触（TOPCon）和异质结-内禀薄膜（HJT）等制备技术，c-Si太阳能电池已实现23.0%至26.8%的PCE值。其中，PERC技术凭借其*PCE和低制造成本，在光伏市场中脱颖而出。然而，电学和光学损耗成为制约硅单结太阳能电池实际PCE的瓶颈，通常被限定在约27.1%的水平。电损耗主要包括二极管非线性损耗、复合损耗和电阻损耗；而光损耗则主要包括表面反射损耗和光子吸收损耗。由于硅的本征带隙（Eg）为1.12eV，只有能量*于此值的光子（即波长低于约1100nm）才能被吸收并产生电子-空穴对。

为了突破这一限制，西南科技大学数理学院的温才教授联合中国电子科技集团公司第九研究所的团队，探索了通过超掺杂硅与深层杂质（如硫基和过渡金属杂质）的方法来拓宽太阳光谱的吸收范围，从而提*c-Si太阳能电池的光电转换效率。纳秒脉冲激光熔融（NPLM）作为一种*效且经济的方法，被用于制备*效率的超掺杂硅太阳能电池。然而，关于影响这些太阳能电池中载流子产生和收集的关键因素，仍存在许多未知。为了深入理解这些因素，研究者们通过结合电子束沉积和空气或低真空环境中的NPLM方法，在具有PERC结构的c-Si太阳能电池基板上实现了硅薄膜的钛超掺杂。他们系统研究了钛超掺杂硅（Si:Ti）太阳能电池的性能，评估了Si:Ti薄膜的结晶度、厚度以及NPLM过程中引入的氧杂质等因素对器件性能的影响。

研究结果显示，Si:Ti薄膜的结晶度决定了钛杂质的电激活率（或亚带隙光学吸收），而薄膜的厚度则影响了Si:Ti薄膜中的载流子传输效率。此外，Si:Ti薄膜形成的金字塔状微观结构粗糙表面增强了太阳能电池的本征光学吸收。值得注意的是，尽管引入了氧杂质，但它们更倾向于与硅结合，并不影响电激活钛杂质的浓度。因此，在空气中通过NPLM制备的Si:Ti太阳能电池实现了19.4%的*光电转换效率，比裸露的c-Si太阳能电池基板（17.3%）提*了2.1%。短路电流密度和外部量子效率测量进一步证实了这种效率提升是由于本征和亚带隙光电流的增加。

此外，研究还发现，为了实现完全的NPLM并获得良好的薄膜结晶度，薄膜厚度与激光能量密度之间的匹配至关重要。较大的薄膜厚度需要对应较*的激光能量密度，但这也可能导致更大的激光烧蚀和晶体质量变差，从而影响光生载流子的传输。因此，当Si:Ti太阳能电池的薄膜厚度达到或超过200nm时，其串联电阻会迅速增大。

本研究不仅为深入理解微观结构与器件性能之间的关系提供了宝贵的基础结果，还展示了超掺杂硅在实现全太阳光谱光响应方面的巨大潜力。通过选择*效率的基板（如HJT和TOPcon太阳能电池），可以进一步提*效率并降低现有商用c-Si太阳能电池的成本。同时，研究还指出，在使用NPLM工艺制备Si:Ti太阳能电池时，Si:Ti薄膜中存在的晶界等结构缺陷对近红外光生载流子传输具有重要影响。这些发现为未来的研究和应用提供了有价值的指导。

• Hongwang Yang，

• Xudong Cai，

• Shijie Zeng，

• Yubei Lin，

• Guoying Dong，

• Cai Wen，

• Min Chen，

• Xiaoyu Li，

• Zhuang Xu，

• Yuan Wei，

• Yong Ren

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.4c02537?articleRef=control

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