鈣鈦礦/晶硅疊層太陽(yáng)電池，以其具有超過(guò)單結(jié)電池Shockley-Queisser理論極限的超高效率和成本優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)成為光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。通過(guò)近10年的努力，鈣鈦礦/晶硅疊層太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已從最初的13.7%提升至目前的33.7%。然而，疊層器件效率的進(jìn)一步提升需要對(duì)鈣鈦礦頂電池、中間復(fù)合層以及晶硅底電池進(jìn)行更高效的優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前，鈣鈦礦/晶硅疊層太陽(yáng)能電池通常采用透明導(dǎo)電金屬氧化物薄膜（ITO）作為中間復(fù)合層，然而ITO在制備過(guò)程中存在濺射損傷等問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)高效的中間復(fù)合層對(duì)提升鈣鈦礦/晶硅疊層太陽(yáng)能電池的效率和加速產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程至關(guān)重要。
中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所硅基太陽(yáng)能及寬禁帶半導(dǎo)體科研團(tuán)隊(duì)在葉繼春研究員的帶領(lǐng)下，在前期晶硅、鈣鈦礦和疊層電池研究的基礎(chǔ)上（Joule 2022, 6, 2644; Nat. Commun. 2023, 14, 2166; Energy Environ. Sci. 2021, 14, 6406; Adv. Mater. 2023, e2211962; Adv. Mater. 2023, 2302071; Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2203006; Adv. Funct. Mater. 2023, 2304708; Adv. Funct. Mater. 2022, 2110698; Nano Energy 2022, 100, 107529; Small 2023, 2304348; J. Mater. Chem. A 2023,11, 6556; J. Mater. Chem. A 2023,11, 11866; Sol. Energy Mater. Sol. C 2022, 238, 111586），近期在鈣鈦礦/晶硅疊層太陽(yáng)電池的中間層設(shè)計(jì)和制備方面取得了重要進(jìn)展。
在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)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，成功制備出效率高達(dá)29.22%的鈣鈦礦/TOPCon疊層電池，并且這種疊層器件表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性（如圖1）。相較于傳統(tǒng)的ITO中間復(fù)合層，這種新型隧穿復(fù)合層具有以下優(yōu)勢(shì)：1）通過(guò)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(kuò)散和補(bǔ)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（如圖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(kāi)路電壓提升了8mV，這表明增加一層p型多晶硅可以保持TOPCon電池的高性能。2）對(duì)于鈣鈦礦頂電池，通過(guò)第一性原理計(jì)算、紅外和XPS等測(cè)試證實(shí)鈣鈦礦頂電池的MeO-2PACz空穴傳輸層更容易吸附在p型多晶硅上（如圖3），從而有助于對(duì)頂電池載流子的提取。3）通過(guò)UPS等測(cè)試證實(shí)p型多晶硅具有比傳統(tǒng)ITO更高的功函數(shù)，可以進(jìn)一步增強(qiáng)載流子傳輸和提取能力（如圖4）。
此外，通過(guò)詳細(xì)的有限元仿真，研究人員對(duì)這種隧穿疊層電池的載流子傳輸和復(fù)合機(jī)制進(jìn)行了全面剖析（如圖5）。研究表明，這種隧穿復(fù)合層以陷阱輔助復(fù)合隧穿和帶帶隧穿為主。當(dāng)多晶硅的摻雜濃度較低時(shí)（＜4×1019 cm-3），p型多晶硅的價(jià)帶和n型多晶硅的導(dǎo)帶不會(huì)發(fā)生交疊，因此不會(huì)觸發(fā)帶帶隧穿，此時(shí)陷阱輔助復(fù)合隧穿占主導(dǎo)。這種情況下，較高的缺陷濃度有助于陷阱輔助復(fù)合隧穿效應(yīng)，從而提升疊層電池性能。當(dāng)多晶硅的摻雜濃度較高時(shí)（＞4×1019 cm-3），p型多晶硅的價(jià)帶和n型多晶硅的導(dǎo)帶發(fā)生交疊，觸發(fā)帶帶隧穿，此時(shí)帶帶隧穿占主導(dǎo)。相比于陷阱輔助復(fù)合隧穿，帶帶隧穿更有利于獲得更高的填充因子和效率。因此，如何通過(guò)摻雜控制中間層的隧穿和復(fù)合效率至關(guān)重要。這項(xiàng)工作對(duì)于中間層的設(shè)計(jì)及相關(guān)機(jī)理研究為鈣鈦礦/晶硅疊層太陽(yáng)能電池的性能提升提供了新的途徑，其設(shè)計(jì)思路同樣也適用于以異質(zhì)結(jié)作為底電池的鈣鈦礦疊層電池。
該工作以“Polycrystalline silicon tunnelling recombination layers for high-efficiency perovskite/tunnel oxide passivating contact tandem solar cells”為題發(fā)表在能源頂級(jí)期刊Nature Energy (doi.org/10.1038/s41560-023-01382-w)。寧波材料所2018級(jí)直博生鄭晶茗、應(yīng)智琴博士后、楊陣海為共同第一作者，蘇州大學(xué)李孝峰教授，寧波材料所楊陣海、楊熹副研究員和葉繼春研究員為本文共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（61974178、61874177、62004199）、浙江能源集團(tuán)項(xiàng)目（No. znkj-2018-118）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2022YFB4200901）、寧波市“創(chuàng)新2025”重大工程（2022Z114、2020Z098）、浙江省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2021C01006）、遼寧省科技項(xiàng)目（2021JH1/10400104）和青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（2018333）的等項(xiàng)目支持。感謝蘇州大學(xué)李孝峰教授和北大深圳研究院林澤東博士后在理論方面給予的支持。
圖1 隧穿復(fù)合結(jié)微觀形貌及疊層器件性能
圖2 隧穿復(fù)合結(jié)內(nèi)擴(kuò)散分布、能帶圖及鈍化接觸性能
圖3 MeO-2PACz吸附增強(qiáng)的理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
圖4 隧穿復(fù)合層增強(qiáng)鈣鈦礦頂電池載流子傳輸和提取能力的測(cè)試結(jié)果
圖5 具有隧穿結(jié)疊層電池的數(shù)值仿真及機(jī)理解釋
(來(lái)源:中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所)
