硅异质结太阳能电池中金属氧化物钝化接触材料的一步优化策略：通过生长角度调控实现体相与界面协同调控

这篇研究提出了一种创新的斜角反应溅射策略，通过调控生长角度（θg）实现单步优化钒氧化物（V2O5-x）钝化接触材料的体相与界面特性。该方法利用离子轰击（ion bombardment）效应，在保留硅表面原生氧化层（native SiOx）的同时，原位调控其化学计量比，形成高功函数（work function）的相纯V2O5-x薄膜和富SiO2界面层，为简化硅异质结（SHJ）太阳能电池的制备工艺提供了新思路。

　　

1 引言

硅异质结（SHJ）太阳能电池因其高效率与稳定性成为光伏领域的研究热点，但其产业化仍受限于复杂的钝化层制备工艺。传统方法需通过多步化学预处理调控金属氧化物（MO）/硅界面特性，而本研究提出的斜角反应溅射技术，通过生长角度（θ_g）调控离子轰击能量分布，实现单步优化钒氧化物（V₂O_5-x）体相氧空位与界面SiO_x化学计量比。

2 实验细节

研究以钒氧化物为模型体系，在三种生长角度（0°、40°、80°）下通过反应射频溅射沉积薄膜。采用X射线光电子能谱（XPS）分析氧化态，飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）解析界面元素分布，并结合蒙特卡洛（MC）模拟揭示离子能量沉积与界面混合机制。

3 结果与讨论

体相调控：XPS显示80°生长薄膜中V⁵⁺占比达69%，形成近化学计量比的V₂O_5-x，功函数最高（5.3 eV）；而40°生长薄膜因V₂O₃相存在呈现混合价态，功函数降低。

界面优化：ToF-SIMS证实所有样品均形成SiO_x(V)三元界面层，但80°生长的样品中Si⁴⁺/Si_def比值提升3倍，表明斜角沉积促进原生SiO_x的化学计量比改善。MC模拟显示，0°生长时高能O^?离子穿透至硅基底导致界面层增厚，而80°时离子能量沉积集中于表面，利于界面氧化而非厚度增长。

机制解析：斜角沉积通过两种途径协同作用——（1）减少氧间隙原子形成，提升V₂O_5-x功函数；（2）调控离子投影范围，优化SiO_x界面缺陷密度与载流子隧穿效率。

4 意义与展望

该研究为SHJ电池提供了一种无需预处理、室温可操作的单步钝化接触制备方案。未来可通过扩展至其他MO体系（如MoO_x、WO₃）进一步验证普适性，并结合原子尺度模拟深入解析SiO_x(V)界面的电荷传输机制。