作者:叶继春等 来源:《焦耳》 发布时间:2022/10/13 11:39:28
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中科院宁波材料所揭示钙钛矿/硅叠层电池研究新突破

 

2022年10月11日,中国科学院宁波材料技术与工程研究所的叶继春团队在国际学术期刊Joule在线发表了题为“Monolithic perovskite/black-silicon tandems based on tunnel oxide passivated contacts”的研究成果。

该成果报道了一种基于黑硅纳米绒面和隧穿氧钝化结构的钙钛矿/硅叠层太阳电池,为绒面结构上钙钛矿薄膜的溶液法制备提供了一种新思路,本工作将为各种新型纳米绒面结构在钙钛矿/硅叠层太阳电池中的应用提供了借鉴。

论文的第一作者是应智琴博士,通讯作者是杨熹副研究员和叶继春研究员。

钙钛矿/硅叠层电池能够更加有效地利用太阳光谱并获得更高的输出电压,被认为是未来太阳能电池高效化发展的一个重要方向,能大幅降低太阳能发电成本。目前两端口钙钛矿/硅叠层电池的底电池或采用抛光的平面结构来兼容钙钛矿的溶液法加工工艺,或采用金字塔微绒面结构来兼容传统晶体硅的标准制绒工艺。然而前者会提高加工成本并降低光学性能,后者则会影响溶液法钙钛矿的薄膜质量。因此,如何在兼容传统钙钛矿溶液法制备工艺的前提下,利用具有织构化的硅底电池提高钙钛矿/硅叠层电池的光电流响应,是进一步提升叠层器件效率的关键。近期,中国科学院宁波材料技术与工程研究所的叶继春研究员团队首次提出了一种基于湿法黑硅纳米绒面和PECVD隧穿氧化硅钝化接触结构(TOPCon)的钙钛矿/硅叠层太阳电池,器件认证效率达到28.2%。

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图1:表面重构对黑硅纳米绒面的钝化和陷光性能的影响。

本研究工作利用具有折射率渐变的黑硅纳米绒面取代传统平板和金字塔绒面结构来解决钙钛矿/晶体硅界面的反射损失,通过TOPCon结构取代传统的HIT钝化结构来解决黑硅表面非晶硅的外延晶化生长,进一步通过碱处理实现黑硅的表面重构,从而同步提升硅底电池的光学和电学性能。优化后,晶体硅底电池的少子寿命达到2.0 ms,全波段平均反射率仅为6%。同时该钝化和制绒工艺还可以兼容210的大尺寸(G12)硅片。

图2:纳米绒面对钙钛矿薄膜生长和晶体质量的影响。

进一步,黑硅纳米绒面还会提高钙钛矿的成膜质量并促进晶粒的纵向生长。纳米绒面结构具有独特的高色散分量和低极性分量表面能,有利于钙钛矿溶剂和反溶剂的润湿。钙钛矿生长过程中大量的成核点被限域在纳米绒面的孔洞中,由于孔洞的横向特征尺寸远小于钙钛矿的晶粒尺寸,晶粒的横向生长受到抑制,形成了纳米限域的纵向生长;随着晶粒尺寸的增加,纳米绒面被填满,由于纳米绒面较小的间距/孔径比,相邻的纳米孔洞中的晶粒无法发生横向的熟化过程,而同时在纵向具有较大的生长空间,因此形成了自下而上的纵向生长模式。

图3:黑硅纳米绒面对钙钛矿/硅叠层太阳电池器件性能的影响。

截面表面电势分布结果进一步表明纳米绒面上钙钛矿薄膜在电子和空穴两个传输界面均形成了较强的内建电场,有利于载流子传输和收集。因此,即使在未做带隙优化和界面钝化的情况下,器件的反扫效率达到了28.5%(VOC为1.80 V,JSC为19.3 mA/cm2,FF为81.9%),稳态效率达到了28.2%。EQE和反射率曲线表明黑硅纳米结构大大降低了器件在600–800 nm范围内反射率,使顶电池和底电池的电流分别从19.4和18.2 mA/cm2提升至20.2和19.4 mA/cm2。此外,黑硅纳米绒面的疏水特性,钙钛矿晶体质量的提高,以及纳米绒面对钙钛矿内应力的降低均有助于叠层器件长期工作稳定性的提高,显示了纳米绒面在钙钛矿/晶体硅叠层电池中潜在的巨大应用前景。

该工作得到了国家重点研发计划(2018YFB1500103)、浙江省能源集团(grant no. znkj-2018-118)和浙江省重点研发计划(2021C01006)等项目的支持。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.09.006

 
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