作者:张楠 来源:中国科学报 发布时间:2023/11/16 12:58:01
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当钙钛矿遇到多晶硅隧穿结

 

近年来,国内对钙钛矿电池技术和产业化研究持续加深,相关领域的突破颇受关注。钙钛矿晶硅叠层太阳电池,以其具有超过单结电池Shockley-Queisser理论极限的超高效率和成本优势,成为光伏领域的研究热点。


通过科学家近10年的努力,钙钛矿晶硅叠层太阳能电池的光电转换效率,已从最初的13.7%提升至目前的33.9%,但要再上一个台阶并不容易。


中国科学院宁波材料技术与工程研究所(以下简称宁波材料所)硅基太阳能及宽禁带半导体科研团队,在叶继春研究员的带领下,近期在钙钛矿/晶硅叠层太阳电池的中间层设计和制备方面取得了重要进展。相关成果日前发表在《自然—能源》。



该成果日在在线发表于《自然—能源》。期刊网页截图


钙钛矿TOPCon叠层电池效率可达29.2%


上述文章共同第一作者、共同通讯作者、宁波材料所研究人员杨阵海告诉《中国科学报》,叠层器件效率的进一步提升,需要对钙钛矿顶电池、中间复合层以及晶硅底电池进行更全方位的优化设计。


钙钛矿晶硅叠层太阳能电池,目前通常采用透明导电金属氧化物薄膜(ITO)作为中间复合层,然而ITO在制备过程中存在溅射损伤等问题。因此,开发高效的中间复合层对提升钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的效率和加速其产业化进程至关重要。


日前,宁波材料所硅基太阳能及宽禁带半导体科研团队,在前期晶硅、钙钛矿和叠层电池研究的基础上,在钙钛矿/晶硅叠层太阳电池的中间层设计和制备方面取得了重要进展。


研究人员将具有隧穿特性的p型/n型多晶硅结构取代传统ITO中间层,引入到叠层电池,成功制备出效率达到29.2%的叠层钙钛矿/隧穿氧钝化接触太阳能电池(TOPCon),从制备工艺的复杂性到制造成本都有所简化,并且这种叠层器件具有良好的稳定性。


“叠层电池,就是把两个具有不同带隙的电池上下叠起来。过去两层电池都是采用透明电极串联在一起,我们的研究是把多晶硅隧穿结这种结构首次应用在了钙钛矿/晶硅叠层电池中。”杨阵海解释道。


为叠层中间层设计和电池性能提升提供新途径


该工作以《用于高效钙钛矿/隧穿氧化硅钝化接触串联太阳能电池的多晶硅隧穿复合层》为题日前发表在《自然—能源》。宁波材料所2018级直博生郑晶茗、应智琴博士后、杨阵海为共同第一作者,苏州大学李孝峰教授,宁波材料所杨阵海、杨熹副研究员和叶继春研究员为共同通讯作者。


在这篇文章里,作者还通过理论计算,研究了隧穿的机制,并阐述了高效的隧穿结应该如何设计。


“如何通过掺杂控制中间层的隧穿和复合效率至关重要。”杨阵海介绍,这项工作对于中间层的设计,及相关机理研究为钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的性能提升提供了新途径,其设计思路同样也适用于以异质结作为底电池的钙钛矿/晶硅叠层电池。


从提出思路、实验验证到机制探究,这个成果的突破,杨阵海也感慨,正是由于叶继春研究员带领的硅基太阳能及宽禁带半导体科研团队在相关方向已有多年积累才得以实现,也感谢课题组成员的共同努力和坚持。


这个团队在光伏领域,从成熟的晶硅,到主流的TOPCon,到新型的钙钛矿,到效率更高的叠层电池,都有研究力量分布,“属于难得的全面”。杨阵海认为。


“刺激一下”接着干


钙钛矿/晶硅串联太阳能电池已经迅速发展。尽管提高器件效率的努力主要集中在顶部钙钛矿子电池的改进上,但连接顶部和底部子电池的复合层对于器件效率进一步提升也至关重要。


也正是因此,该工作获得了期刊编辑和审稿人的高度认可。


《自然—能源》高级编辑Giulia Tregnago认为,TOPCon太阳能电池已经被工业界广泛运用,这项工作拓宽了该技术的应用范围:基于多晶硅的互连层适用于基于TOPCon结构的串联太阳能电池,并与顶部钙钛矿子电池的电荷传输层兼容。


“最重要的是,这项工作表明,基于自组装单分子层的钙钛矿电池的空穴传输层,可以直接在硼掺杂的多晶硅薄膜上形成。” 德国汉诺威莱布尼茨大学研究人员Robby Peibst教授强调,“这一发现具有潜在的意义,因为具有氧化硅/多晶硅钝化接触的晶硅太阳能电池,正成为光伏的新主力,其在不需要额外透明导电氧化物复合层的情况下,用于钙钛矿/晶硅串联太阳电池的子电池是非常有吸引力的。”


当然该成果也存在当前的局限性,比如双面TOPCon底电池的开压还不够高,要让成果有朝一日能够被广泛应用,相关研究还大有可为。科研创新的路从来不平坦,在下一个难题面前,杨阵海也许会和以前一样,订一份水煮鱼外卖“刺激一下”,缓过劲儿了接着干。



相关论文信息:http://doi.org/10.1038/s41560-023-01382-w


 
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