【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近年來，鈣鈦礦/晶硅疊層太陽電池具有超過單結(jié)電池Shockley-Queisser理論極限的超高效率和成本優(yōu)勢，而成為光伏領(lǐng)域的研究熱點。通過近十年的發(fā)展，鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已從最初的13.7%提升至目前的33.9%。然而，疊層器件效率的進一步提升，需要對鈣鈦礦頂電池、中間復合層以及晶硅底電池進行更高效的優(yōu)化設(shè)計。目前，鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池通常采用透明導電金屬氧化物薄膜(ITO)作為中間復合層，但ITO在制備過程中存在濺射損傷等問題。因此，開發(fā)高效的中間復合層，對提升鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池的效率，加速產(chǎn)業(yè)化進程頗為重要。
 

　　近期，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員葉繼春帶領(lǐng)的硅基太陽能及寬禁帶半導體科研團隊，在前期關(guān)于晶硅、鈣鈦礦和疊層電池研究的基礎(chǔ)上，在鈣鈦礦/晶硅疊層太陽電池的中間層設(shè)計和制備方面取得了重要進展。
 

　　該團隊創(chuàng)新性地將具有隧穿特性的p型多晶硅/n型多晶硅結(jié)構(gòu)引入到疊層電池，用以取代傳統(tǒng)ITO中間層，制備出效率高達29.22%的鈣鈦礦/TOPCon疊層電池。這種疊層器件表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性(圖1)。相較于傳統(tǒng)的ITO中間復合層，這種新型隧穿復合層具有如下優(yōu)勢。第一、通過有效抑制p型多晶硅中硼和/n型多晶硅中磷摻雜劑的相互擴散和補償，新型隧穿結(jié)的TOPCon結(jié)構(gòu)展示出優(yōu)異的鈍化和接觸性能(圖2)。此外，這種新型隧穿結(jié)的TOPCon電池與傳統(tǒng)TOPCon電池相比，其開路電壓提升了8mV，表明增加一層p型多晶硅可以保持TOPCon電池的高性能。第二、對于鈣鈦礦頂電池，通過第一性原理計算、紅外和XPS等測試證實鈣鈦礦頂電池的MeO-2PACz空穴傳輸層更易吸附在p型多晶硅上(圖3)，有助于對頂電池載流子的提取。第三、UPS等測試證實p型多晶硅具有比傳統(tǒng)ITO更高的功函數(shù)，可進一步增強載流子傳輸和提取能力(圖4)。
 

　　此外，通過詳細的有限元仿真，科研人員對這種隧穿疊層電池的載流子傳輸和復合機制，進行了全面剖析(圖5)。研究表明，這種隧穿復合層以陷阱輔助復合隧穿和帶帶隧穿為主。當多晶硅的摻雜濃度較低時(<4×1019 cm-3)，p型多晶硅的價帶和n型多晶硅的導帶不會發(fā)生交疊，因而不會觸發(fā)帶帶隧穿，此時陷阱輔助復合隧穿占主導。這種情況下，較高的缺陷濃度有助于陷阱輔助復合隧穿效應，從而提升疊層電池性能。當多晶硅的摻雜濃度較高時(>4×1019 cm-3)，p型多晶硅的價帶和n型多晶硅的導帶發(fā)生交疊，觸發(fā)帶帶隧穿，此時帶帶隧穿占主導。相比于陷阱輔助復合隧穿，帶帶隧穿更利于獲得更高的填充因子和效率。因此，如何通過摻雜控制中間層的隧穿和復合效率至關(guān)重要。上述關(guān)于中間層的設(shè)計及相關(guān)機理研究，為鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池的性能提升提供了新途徑。這一設(shè)計思路同樣適用于以異質(zhì)結(jié)作為底電池的鈣鈦礦疊層電池。
 

　　相關(guān)研究成果以Polycrystalline silicon tunnelling recombination layers for high-efficiency perovskite/tunnel oxide passivating contact tandem solar cells為題，發(fā)表在《自然-能源》(Nature Energy)上。研究工作得到國家自然科學基金、浙江能源集團、國家重點研發(fā)計劃、寧波市“科技創(chuàng)新2025”重大專項、浙江省重點研發(fā)計劃、遼寧省“揭榜掛帥”科技攻關(guān)項目和中國科學院青年創(chuàng)新促進會等的資助。該研究由寧波材料所和蘇州大學合作完成。北京大學深圳研究生院的科研人員參與研究。
 

圖1. 隧穿復合結(jié)微觀形貌及疊層器件性能
 

圖2. 隧穿復合結(jié)內(nèi)擴散分布、能帶圖及鈍化接觸性能
 

圖3. MeO-2PACz吸附增強的理論和實驗驗證
 

圖4. 隧穿復合層增強鈣鈦礦頂電池載流子傳輸和提取能力的測試結(jié)果
 

圖5. 具有隧穿結(jié)疊層電池的數(shù)值仿真及機理解釋