DOI: https://doi.org/10.1039/d5el00164a
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Yifeng Zhao وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات السيليكون وخلايا الطاقة الشمسية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تأثير الخشونة النانوية السطحية في خلايا الشمسية الهجينة من السيليكون على أداء خلايا الشمسية المت tandem من البيروفوسكايت والسيليكون. من خلال هندسة الخشونة النانوية السطحية بشكل منهجي عبر طريقتين – تغيير سمك طبقات السيليكون النانوي الهيدروجيني من النوع (n) ((n) nc-Si:H) وتطبيق معالجة بلازما مع خليط من غاز الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون – تكشف الدراسة أن زيادة الخشونة النانوية تعزز من الموصلية والبلورية لطبقات (n) nc-Si:H. يؤثر هذا التعديل بشكل كبير على تثبيت الطبقة الأحادية الذاتية (SAM) وجودة واجهة SAM/بيروفوسكايت، مما يؤدي إلى تحسين عوامل التعبئة وكفاءة الجهاز المت tandem بشكل عام، مع تحقيق كفاءة قصوى تبلغ 32.6% من خلال معالجة البلازما المحسّنة.
تؤكد النتائج على أهمية شكل سطح الخلية السفلية في تعزيز أداء خلايا الشمسية المت tandem من البيروفوسكايت والسيليكون، وهو عامل تم تجاهله نسبيًا في الأبحاث السابقة التي ركزت على تحسين الخلية العلوية من البيروفوسكايت. تقدم الدراسة معلمة تصميم جديدة لخلايا الشمسية المت tandem، مقترحة أن التحكم في خشونة السطح على النانو يمكن أن يؤدي إلى تحسينات كبيرة في الأداء. لا تفيد هذه الطريقة فقط هياكل البيروفوسكايت والسيليكون المت tandem ولكن لها أيضًا آثار أوسع على تقنيات السيليكون الهجينة وغيرها من تقنيات السيليكون البلوري التي تستخدم طبقات رقيقة مماثلة، مما يدعم تقدم وتصنيع أنظمة الطاقة الشمسية عالية الأداء.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث إمكانيات خلايا الشمسية المت tandem من البيروفوسكايت والسيليكون لتحقيق كفاءات تحويل طاقة عالية (PCEs) تتجاوز قيود خلايا الوصلة الواحدة بينما تظل فعالة من حيث التكلفة. التركيز هو على تحسين خلايا البيروفوسكايت العلوية وخلايا السيليكون السفلية، وخاصة الوصلات المعاد تركيبها التي تشمل أكاسيد موصلة شفافة (TCO) والاتصالات الانتقائية للشحن. تسلط الدراسة الضوء على أهمية خلايا السيليكون الهجينة (SHJ) السفلية، وتحديداً استخدام طبقات السيليكون من النوع (n) المختلفة، حيث تفضل طبقات السيليكون النانوي ((n)nc-Si:H) لخصائصها البصرية والإلكترونية الفائقة وقدرتها على تعزيز اقتران الضوء في الممتص السيليكون البلوري (c-Si).
يستكشف المؤلفون تأثير الخشونة النانوية السطحية في طبقات (n)nc-Si:H على أداء خلايا الشمسية المت tandem من البيروفوسكايت والسيليكون. يستكشفون كيف يمكن أن تؤثر التغيرات في سمك طبقات (n)nc-Si:H ومعالجة البلازما باستخدام خليط من غازات H₂ وCO₂ على شكل السطح. تشير النتائج إلى أن تحسين الخشونة النانوية السطحية من خلال هذه الطرق يؤدي إلى تحسين الواجهات بين أكسيد الإنديوم المخلوط بالقصدير (ITO) وطبقات نقل الثقوب (HTL) وطبقات البيروفوسكايت، مما يعزز في النهاية الأداء العام للأجهزة المت tandem.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون عملية تصنيع خلايا السيليكون السفلية c-Si وعينات مقاومة الاتصال باستخدام رقائق السيليكون من النوع (n) بحجم 4 بوصات، مع سمك يتراوح بين 260-280 ميكرومتر. خضعت الرقائق لتشكيل هرم عشوائي مزدوج الجوانب من خلال النقش الكيميائي الرطب في محلول KOH بنسبة 0.5% عند 77 درجة مئوية، تليها بروتوكول تنظيف RCA القياسي لإزالة الملوثات العضوية والمعدنية. بعد غمرها في حمض الهيدروفلوريك (HF)، تمت معالجة الرقائق في نظام ترسيب بخار كيميائي معزز بالبلازما (PECVD) متعدد الغرف، حيث تم ترسيب طبقات من السيليكون غير المتبلور الهيدروجيني ((i)a-Si:H) وأكسيد السيليكون المخلوط. تم تطبيق معالجة بلازما هيدروجينية محسّنة بعد الترسيب، وتم ترسيب طبقات أكسيد الإنديوم المخلوط بالقصدير (ITO) بسمك 10 نانومتر عند درجة حرارة الغرفة.
استمرت عملية التصنيع بتشكيل اتصالات خلفية محلية باستخدام خطوط شبكة فضية (Ag) مطبوعة بالشاشة، والتي تم تلبيدها من خلال التلدين. ثم تم تبخير فيلم MgF₂ بسمك 200 نانومتر حراريًا ليكون عاكسًا خلفيًا، تلاه طبقة فضة بسمك 120 نانومتر وخطوة تلدين إضافية لمعالجة أي ضرر ناتج عن الرش. تم قطع الرقائق بالليزر إلى قطع بحجم 2.2 × 2.2 سم² لدمجها في هياكل خلايا الشمسية المت tandem. لقياسات مقاومة الاتصال، تم أيضًا ترسيب أفلام رقيقة من السيليكون وأكاسيد موصلة شفافة (TCO) وتم تلدينها، مع الانتهاء من تطبيق 500 نانومتر من الفضة المتبخرة حراريًا على كلا الجانبين.
نتائج
في هذه الدراسة، تم تصنيع خلايا الشمسية المت tandem من البيروفوسكايت والسيليكون باستخدام نوعين من خلايا (n)nc-Si:H السفلية بسمك حوالي 15 نانومتر (النوع-1) و25 نانومتر (النوع-2). على الرغم من أن كلا النوعين أظهروا جهد دائرة مفتوحة (V_OC) وعامل تعبئة (FF) مماثل في أداء الوصلة الواحدة، لوحظت اختلافات كبيرة في الأداء المت tandem، حيث أظهر النوع-1 تباينًا في V_OC يتجاوز 30 مللي فولت وقيم FF أقل (73.1 ± 3.7%). كشفت صور الفلورية الضوئية عن مناطق مظلمة محلية في النوع-1، مما يشير إلى مسارات الشحن، والتي تم التحقيق فيها بشكل أكبر من خلال المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) الذي أبرز الاختلافات الشكلية في طبقات (n)nc-Si:H.
استكشفت الدراسة أيضًا تأثير الخشونة النانوية السطحية على أداء الجهاز من خلال تغيير سمك طبقات (n)nc-Si:H واستخدام معالجة البلازما مع خليط من غازات H₂ وCO₂. أشارت النتائج إلى أن زيادة السمك أدت إلى زيادة الخشونة النانوية بسبب تحسين البلورية، بينما حسّنت معالجة البلازما الخصائص الكهربائية وقللت من طاقة التنشيط (E_a). ومع ذلك، أدت فترات معالجة البلازما الأطول إلى تدهور التمرير، والذي يُعزى إلى التغيرات الهيكلية في طبقات (i)a-Si:H الأساسية. للتخفيف من ذلك، تم إدخال طبقة تغطية (n)a-Si:H بسمك 2 نانومتر، مما حسّن من عمر الحامل الفعال وحافظ على جودة التمرير بعد رش TCO، على الرغم من زيادة طفيفة في مقاومة الاتصال (r_c). بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية شكل الطبقة وظروف المعالجة في تحسين أداء خلايا الشمسية المت tandem.
مناقشة
في هذا القسم، يستكشف المؤلفون تأثيرات الطاقة السطحية والخشونة النانوية على ترسيب الطبقات الأحادية الذاتية (SAM) وتشكيل أفلام البيروفوسكايت على الركائز السيليكونية الملموسة. يجدون أن تغيير سمك طبقات (n)nc-Si:H وتطبيق معالجات البلازما تؤثر بشكل كبير على زاوية الاتصال وتحول وظيفة العمل (DWF) لطبقات (n)nc-Si:H/ITO/SAM. بشكل خاص، تعزز معالجة البلازما لمدة 30 ثانية شكل الحبوب البيروفوسكايت والاتجاه، مما يؤدي إلى تحسين حركية الحوامل وأداء الطاقة الشمسية. تظهر الدراسة أن تحسين مدة معالجة البلازما يمكن أن يعزز من جودة الواجهة الإلكترونية لأفلام البيروفوسكايت، كما يتضح من زيادة شدة الفلورية الضوئية وتقليل إعادة التركيب غير الإشعاعي.
علاوة على ذلك، يتم تقييم أداء خلايا الشمسية المت tandem من البيروفوسكايت والسيليكون، مما يكشف أن الأجهزة التي تحتوي على طبقة (n)nc-Si:H بسمك 15 نانومتر تظهر جهد دائرة مفتوحة (V_OC) وعامل تعبئة (FF) أعلى مقارنة بتلك التي تحتوي على طبقة (n)a-Si:H بسمك 6 نانومتر. ينسب المؤلفون هذه التحسينات إلى ارتفاع DWF وانخفاض مقاومة الاتصال المرتبطة بزيادة الخشونة النانوية. على الرغم من أن فترات معالجة البلازما الأطول تقلل قليلاً من V_OC لمقدمات الخلايا السفلية، إلا أن الأداء العام للجهاز المت tandem يبقى قابلاً للمقارنة بفضل تحسين جودة الواجهة. في النهاية، تسلط الدراسة الضوء على أهمية التحكم في شكل السطح في خلايا السيليكون السفلية c-Si كاستراتيجية واعدة لتعزيز كفاءة خلايا الشمسية المت tandem من البيروفوسكايت، مع آثار على تطبيقات أوسع في تقنيات الطاقة الشمسية السيليكونية.
DOI: https://doi.org/10.1039/d5el00164a
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Yifeng Zhao et al.
Primary Topic: Silicon and Solar Cell Technologies
Overview
The research investigates the impact of surface nanoroughness in silicon heterojunction solar cells on the performance of monolithic perovskite-silicon tandem solar cells. By systematically engineering the top surface nanoroughness through two methods—varying the thickness of (n)-type hydrogenated nanocrystalline silicon ((n) nc-Si:H) layers and applying a plasma treatment with a hydrogen and carbon dioxide gas mixture—the study reveals that increased nanoroughness enhances the conductivity and crystallinity of the (n) nc-Si:H layers. This modification significantly influences the self-assembled monolayer (SAM) anchoring and the quality of the SAM/perovskite interface, leading to improved fill factors and overall tandem device efficiency, with a peak efficiency of 32.6% achieved through optimized plasma treatment.
The findings underscore the importance of bottom cell surface morphology in enhancing the performance of perovskite-silicon tandem solar cells, a factor that has been relatively overlooked in prior research focused on optimizing the perovskite top cell. The study introduces a new design parameter for tandem solar cells, suggesting that controlling nanoscale surface roughness can lead to significant performance improvements. This approach not only benefits perovskite-silicon tandem architectures but also has broader implications for silicon heterojunction and other crystalline silicon technologies utilizing similar thin-film layers, thereby supporting the advancement and industrialization of high-performance photovoltaic systems.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the potential of perovskite-silicon tandem solar cells to achieve high power conversion efficiencies (PCEs) that surpass the limitations of single-junction cells while remaining cost-effective. The focus is on optimizing the perovskite top cells and the silicon bottom cells, particularly the recombination junctions involving transparent conductive oxides (TCO) and charge-selective contacts. The study highlights the importance of the silicon heterojunction (SHJ) bottom cells, specifically the use of various (n)-type silicon layers, with nanocrystalline silicon ((n)nc-Si:H) layers being favored for their superior optoelectronic properties and ability to enhance light coupling into the crystalline silicon (c-Si) absorber.
The authors investigate the impact of surface nanoroughness in (n)nc-Si:H layers on the performance of monolithic perovskite-silicon tandem solar cells. They explore how variations in the thickness of (n)nc-Si:H layers and plasma treatment with a hydrogen and carbon dioxide gas mixture can control the surface morphology. The findings indicate that optimizing the surface nanoroughness through these methods leads to improved interfaces between tin-doped indium oxide (ITO), hole transport layers (HTL), and perovskite layers, ultimately enhancing the overall performance of the tandem devices.
Methods
In this section, the authors detail the fabrication process for c-Si bottom cells and contact resistivity samples using 4-inch, (n)-type float-zone (FZ) silicon wafers with a thickness of 260-280 µm. The wafers underwent a double-sided random pyramid texturing through wet chemical etching in a 0.5% KOH solution at 77 °C, followed by a standard RCA cleaning protocol to remove organic and metallic contaminants. After a hydrofluoric acid (HF) dip, the wafers were processed in a multi-chamber plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) system, where layers of intrinsic hydrogenated amorphous silicon ((i)a-Si:H) and doped silicon oxide were deposited. An optimized hydrogen plasma treatment was applied post-deposition, and 10-nm-thick tin-doped indium oxide (ITO) layers were sputtered at room temperature.
The fabrication continued with the formation of local rear contacts using screen-printed silver (Ag) grid lines, which were sintered through annealing. A 200 nm MgF₂ film was then thermally evaporated to serve as a rear reflector, followed by a 120 nm Ag layer and an additional annealing step to address any damage from sputtering. The wafers were subsequently laser-cut into 2.2 × 2.2 cm² pieces for integration into tandem solar cell structures. For contact resistivity measurements, symmetrical silicon thin films and transparent conductive oxide (TCO) layers were also deposited and annealed, concluding with the application of 500 nm of thermally evaporated Ag on both sides.
Results
In this study, perovskite-silicon tandem solar cells were fabricated using two types of (n)nc-Si:H bottom cells with thicknesses of approximately 15 nm (Type-1) and 25 nm (Type-2). Although both types exhibited similar open circuit voltage (V_OC) and fill factor (FF) in single junction performance, significant differences were observed in tandem performance, with Type-1 showing a V_OC variation exceeding 30 mV and lower FF values (73.1 ± 3.7%). Photoluminescence imaging revealed localized dark regions in Type-1 tandems, indicating shunt pathways, which were further investigated through cross-sectional scanning electron microscopy (SEM) that highlighted morphological differences in the (n)nc-Si:H layers.
The study also explored the impact of surface nanoroughness on device performance by varying the thickness of (n)nc-Si:H layers and employing plasma treatment with a mixture of H₂ and CO₂ gases. Results indicated that increasing thickness led to greater nanoroughness due to enhanced crystallinity, while plasma treatment improved electrical properties and reduced activation energy (E_a). However, longer plasma treatment durations resulted in passivation degradation, attributed to structural changes in the underlying (i)a-Si:H layers. To mitigate this, a 2-nm-thick (n)a-Si:H capping layer was introduced, which improved effective carrier lifetime and preserved passivation quality post-TCO sputtering, despite a slight increase in contact resistivity (r_c). Overall, the findings underscore the importance of layer morphology and treatment conditions in optimizing tandem solar cell performance.
Discussion
In this section, the authors investigate the effects of surface energy and nanoroughness on the deposition of self-assembled monolayers (SAM) and the formation of perovskite films on textured c-Si substrates. They find that varying the thickness of the (n)nc-Si:H layers and applying plasma treatments significantly influence the contact angle and work function shift (DWF) of the (n)nc-Si:H/ITO/SAM stacks. Specifically, a 30-second plasma treatment enhances the perovskite grain morphology and orientation, leading to improved carrier mobilities and photovoltaic performance. The study demonstrates that optimizing plasma treatment duration can enhance the electronic interfacial quality of perovskite films, as indicated by increased photoluminescence intensity and reduced non-radiative recombination.
Furthermore, the performance of perovskite-silicon tandem solar cells is evaluated, revealing that devices with a 15-nm-thick (n)nc-Si:H layer exhibit higher open-circuit voltage (V_OC) and fill factor (FF) compared to those with a 6-nm-thick (n)a-Si:H layer. The authors attribute these improvements to the higher DWF and reduced contact resistivity associated with increased nanoroughness. Although longer plasma treatments slightly decrease the V_OC of bottom cell precursors, the overall tandem device performance remains comparable due to enhanced interface quality. Ultimately, the study highlights the importance of controlling surface morphology in c-Si bottom cells as a promising strategy to enhance the efficiency of perovskite-silicon tandem solar cells, with implications for broader applications in silicon solar technologies.