鈣鈦礦/同質結晶硅串聯疊層電池效率超22%

2018-08-22 11:01:49 北極星太陽能光伏網　點擊量：評論 (0)

硅基疊層電池技術一直都是量產商用電池實現30%甚至35%超高光電轉換效率的最重要的方向之一(如果不是唯一方向的話)。理論上講帶寬匹配、疊層界面匹配都沒什么毛病;經濟上講晶體硅襯底沒有敵手。

前言:價值何在？

硅基疊層電池技術一直都是量產商用電池實現30%甚至35%超高光電轉換效率的最重要的方向之一(如果不是唯一方向的話)。理論上講帶寬匹配、疊層界面匹配都沒什么毛病;經濟上講晶體硅襯底沒有敵手。在之前的7月份，兔子介紹過鈣鈦礦/晶硅疊層電池技術方向的最新進展，也就是斯坦福和亞利桑那州立大學聯合報道的23.6%的鈣鈦礦/晶硅四端口疊層電池世界紀錄。這次兔子通報的最新進展，是澳大利亞國立大學(Australian National University, ANU)22.5%的工作。

23.6%都有了，22.5%還好意思說什么勁?這里面有重大不同。撿最重要的講，這個區別就是澳洲國立的底層晶硅電池用的是n型“同質結“晶硅電池，而之前報道的斯坦福底層晶硅電池用的是異質結，也就是我們通常說的HIT或者SHJ電池。用”同質結“極大程度上解放了頂層鈣鈦礦電池的制備溫度，為進一步發展高效頂層鈣鈦礦電池解決了非常重要的一個障礙。至少在不遠的將來，29%的效率是有可能的。

(Wu, Energy & Environmental Science, 2017)

為什么要同質結？

筆者第一次用“同質結”這個術語，覺得比較別扭。畢竟絕大部分的晶硅電池不就是擴散就是離子注入，被摻雜的材料都是晶體硅，當然是同質結。這就跟說“普通人”是“非基因改造人類”差不多。當然這里主要是為了跟HIT區分開來，所以強調“同質”。

其實同質異質并不重要，重要的是制備溫度。我們知道鈣鈦礦/晶硅電池的制備順序是先晶硅后鈣鈦礦，這個溫度耐受性就比較重要了。比如我們知道的最普遍的基于介孔氧化鈦電子傳導層的鈣鈦礦太陽能電池的制備溫度必須要高于400C，在這個溫度下，HIT電池基本完蛋;事實上HIT在200C以上就不行了，主要是它的非晶硅層受不了。這就要求鈣鈦礦頂層電池只能采用低溫制備工藝。比如很多主流的PECVD和ALD的工藝都不能使用了。而且一般而言，低溫制備的鈣鈦礦電池的熱穩定性都比較差。而熱穩定性是目前鈣鈦礦電池需要解決的關鍵問題之一

晶體硅底層設計特點

ANU采用的是屬于n型同質結電池，摻雜通過普遍的硼磷高溫摻雜實現，解決了溫度的問題。然而對于疊層電池，特別是雙端口串聯疊層電池而言，子電池的開壓極其重要，所以如果不加表面鈍化的話，會完全落了HIT的下風。為了解決問題，ANU采用了開孔的局域接觸(Si/Cr/Pd/Ag/ITO)+Al2O3/SiNx鈍化層方案，類似于PERC，使得開壓達到了尚可接受的0.62V。然而局域接觸(1%)付出的代價是，填充因子就比較慘淡了!只有72%到74%的樣子。更進一步，如果用局域擴散PERL的話，或許開壓和填充因子都會有所提升。

SiNx也與一般的標準晶硅電池的不同，折射率達到了2.8，也就是說硅的含量高得多。這樣的設計有更好的光學折射率匹配，而短波寄生吸收則不是問題，因為短波幾乎都被鈣鈦礦吸收了。

鈣鈦礦頂層設計特點

鈣鈦礦頂層電池使用的是MoOx/Spiro-OMeTAD/Cs_0.07Rb_0.03FA_0.765MA_0.135PbI_2.55Br_0.45/介孔TiOx/高密度TiOx/ITO的結構。改造后的鈣鈦礦層在大尺度上具有更好的均勻性。

Spiro-OMeTAD的寄生吸收比較嚴重。ANU作者認為將它替換為NiOx以后會有更好的光學性能(跟斯坦福組的思路一致)。節省下來的2.7mA cm-2的短路電流，實現電流匹配，反過來就可以用更高開壓的鈣鈦礦材料了。和更高開壓的晶硅底層結合，作者認為基本可以實現1.97V的串聯開壓，遠超現在的1.75V。