国立先进产业科学技术研究所[主席：石村和彦]（以下简称“AIST”）零排放国际合作研究中心[研究中心主任：吉野彰]多结太阳能电池研究小组高级首席研究员松井卓也，首席研究员西仁，通过与德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems）的联合研究伊势）原子层沉积法形成的氧化钛薄膜(厚度：约5nm)纹理结构使晶体硅的表面缺陷失活的功能8442_8477|和来自晶体硅洞将该氧化钛薄膜配置在正极侧晶硅太阳能电池并展示了超过20%的转换效率，有望投入实际应用。新开发的技术有潜力通过低成本材料和工艺提供优于使用传统空穴提取材料的晶体硅太阳能电池的性能，并有望实现高效、低成本的太阳能电池。该技术的详细信息将于10月22日（美国东部夏令时间）美国化学会期刊上发表ACS 应用材料与界面
（左）所制造的太阳能电池的结构概念图示例，（右上）太阳能电池受光面的透射电子显微镜图像，（右下）在50毫米见方的晶体硅基板上形成五个太阳能电池的样品的外观
太阳能发电中使用的太阳能电池是将光能直接转换为电能的装置，其材料种类繁多，应用广泛，从大型太阳能发电厂到建筑物、汽车和室内空间。市场上应用最广泛的晶体硅太阳能电池板（占当前市场90%以上）的转换效率在20%左右，但转换效率和制造成本之间需要权衡。为了推动太阳能发电成为未来极具成本竞争力的电源，有必要同时实现太阳能电池的更高效率和更低成本。
AIST正在推动改善各种太阳能电池性能和新制造工艺的研究和开发，以促进太阳能发电的普及。在此过程中，晶体硅表面在低温下形成了一层数纳米的薄膜，pn结型更高的转换效率。
这次，我们以广泛用作光电极和光学镀膜材料的氧化钛为中心，对利用氧化钛钝化晶体硅太阳能电池表面缺陷的技术以及从硅中提取电荷的技术进行了研究和开发。
这项开发的一部分得到了国家研究开发机构新能源产业技术综合开发机构（NEDO）委托项目“开发高性能、高可靠性太阳能发电成本降低技术”（2018年至2019年）的支持。此外，在文部科学省“纳米技术平台”项目的支持下，在产业技术研究院纳米加工设施中，氧化钛被薄膜化。
在晶体硅太阳能电池中，光激发电子和空穴分别从作为光吸收体的晶体硅的负极和正极选择性地取出。然而，晶体硅的表面存在缺陷，如果缺陷较多，则光生电子和空穴会因复合而消失。因此，需要具有电灭活表面缺陷的功能。具有此功能的典型材料有非晶硅然而，非晶硅会吸收可见光，导致能量损失，因此需要将受光面上的非晶硅做得尽可能薄。另外，非晶硅膜的形成通常需要大量的资金投入和维护成本。因此，他们将注意力集中在氧化钛这种比非晶硅更透明且可以以更低的成本生产的材料上。
这次，我们以含有钛和水蒸气的有机金属络合物为原料，通过原子层沉积形成氧化钛薄膜。在具有金字塔形织构结构的n型晶体硅表面形成厚度约5nm的非晶氧化钛薄膜后，锡掺杂氧化铟 (ITO)将其成膜，进一步形成银(Ag)栅电极，并将其用作正极。对于负极异质结晶体硅太阳能电池中常用的结构制造太阳能电池。当我们通过从正极侧照射模拟太阳光来评估太阳能电池的性能时，我们发现使用氧化钛作为正极的太阳能电池比没有将ITO直接沉积在硅上的氧化钛膜的太阳能电池具有更好的性能。开路电压从 200 mV 增加到 500 mV。这表明氧化钛具有缺陷钝化能力和空穴选择性。然而，当直接在织构化晶体硅上沉积氧化钛薄膜时，其缺陷钝化能力和空穴选择性不足。因此，在形成氧化钛薄膜后，对其表面进行氢等离子体照射，缺陷钝化能力和空穴选择性同时得到提高，太阳能电池的开路电压提高到670mV。众所周知，氧化钛不仅对硅，对各种材料都具有高电子选择性，并被用作有机太阳能电池等中的负极材料，但这是首次证明氧化钛具有空穴选择性和缺陷失活能力，并且可以充当正极。通过研究表现出与传统性能完全相反的性能的机制，结果发现缺陷钝化能力和空穴选择性可以通过存在于氧化钛和晶体硅之间界面处的混合层（由钛、硅、氧和氢组成）的组成和分布来控制。氧化钛中选择性提取空穴的新功能的发现有望扩大氧化钛的应用。
图1：（左）太阳能电池的电流-电压特性和（右）在平面晶体硅上形成的氧化钛膜的横截面的高分辨率透射电子显微镜图像
在右图中，成分分析证实在晶体硅和氧化钛之间的界面处形成了由钛、硅、氧和氢组成的混合层。
新开发的使用氧化钛的太阳能电池在400-600 nm波长处比使用非晶硅的传统异质结晶体硅太阳能电池具有更高的外部温度量子效率,短路电流密度约20毫安/厘米2这是非晶硅带隙这是因为，与17 eV相比，氧化钛具有34 eV的更大带隙，并且氧化钛优异的透明度减少了由于正极中的光吸收而造成的损失。尽管该太阳能电池的性能仍有改进的空间，但通过有效提高短路电流密度，其转换效率达到了211%（第三方测量）。该值与传统异质结晶体硅太阳能电池的性能相当（实验室为223%）。
图 2：（上）参考太阳光谱 (全球气团 15）和（底部）制造的太阳能电池的外部量子效率谱
比较了使用新开发的氧化钛的太阳能电池和使用非晶硅的传统太阳能电池的外量子效率。短路电流密度也可以通过参考太阳光谱与外量子效率光谱的乘积积分得到。
已经清楚的是，新开发的在光接收表面上形成有氧化钛膜的太阳能电池在暴露于波长约400nm以下的UV照射时会劣化，并且未来需要提高其抗UV性。另一方面，当将氧化钛放置在非受光表面上时，由于紫外线无法到达，因此未观察到劣化。到目前为止，我们已经证实，在p型晶体硅的非受光表面沉积氧化钛的太阳能电池可以实现20%左右的转换效率，并且在光照下不会劣化。 P型晶硅在太阳能电池市场最受欢迎，而此次开发的技术不仅可以应用于n型晶硅，还可以应用于各种类型的晶硅太阳能电池，包括使用p型晶硅的太阳能电池。
未来，在追求更高效率的同时，我们将继续研发以提高抗紫外线能力。此外，学术上有趣的是，迄今为止人们认为仅起到电子提取层作用的氧化钛表现出相反的性质，并且将阐明在氧化钛和硅之间的界面处传输空穴的机制。此外，各种无机和有机太阳能电池以及它们与硅的组合串联太阳能电池、光电化学器件、半导体器件等。
杂志名称：ACS 应用材料与界面
论文标题：原子层沉积 TiOx纳米层在硅太阳能电池中充当高效的空穴选择性钝化触点
作者：Takuya Matsui、* Martin Bivour、Martin Hermle、Hitoshi Sai