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钙钛矿/同质结晶硅串联叠层电池效率超22%

放大字体  缩小字体 光伏产业网讯 发布日期:2017-10-20  来源:PV兔子  浏览次数:341
核心提示:硅基叠层电池技术一直都是量产商用电池实现30%甚至35%超高光电转换效率的最重要的方向之一(如果不是唯一方向的话)。理论上讲带宽匹配、叠层界面匹配都没什么毛病;经济上讲晶体硅衬底没有敌手。在之前的7月份,兔子介绍过钙钛矿/晶硅叠层电池技术方向的最新进展,也就是斯坦福和亚利桑那州立大学联合报道的23.6%的钙钛矿/晶硅四端口叠层电池世界纪录。这次兔子通报的最新进展,是澳大利亚国立大学(AustralianNationalUniversity,ANU)22.5%的工作。
   前言:价值何在?
  
  硅基叠层电池技术一直都是量产商用电池实现30%甚至35%超高光电转换效率的最重要的方向之一(如果不是唯一方向的话)。理论上讲带宽匹配、叠层界面匹配都没什么毛病;经济上讲晶体硅衬底没有敌手。在之前的7月份,兔子介绍过钙钛矿/晶硅叠层电池技术方向的最新进展,也就是斯坦福和亚利桑那州立大学联合报道的23.6%的钙钛矿/晶硅四端口叠层电池世界纪录。这次兔子通报的最新进展,是澳大利亚国立大学(AustralianNationalUniversity,ANU)22.5%的工作。
  
  23.6%都有了,22.5%还好意思说什么劲?这里面有重大不同。捡最重要的讲,这个区别就是澳洲国立的底层晶硅电池用的是n型“同质结“晶硅电池,而之前报道的斯坦福底层晶硅电池用的是异质结,也就是我们通常说的HIT或者SHJ电池。用”同质结“极大程度上解放了顶层钙钛矿电池的制备温度,为进一步发展高效顶层钙钛矿电池解决了非常重要的一个障碍。至少在不远的将来,29%的效率是有可能的。
  
钙钛矿/同质结晶硅串联叠层电池效率超22%

 
  (Wu,Energy&EnvironmentalScience,2017)
  
  为什么要同质结?
  
  笔者第一次用“同质结”这个术语,觉得比较别扭。毕竟绝大部分的晶硅电池不就是扩散就是离子注入,被掺杂的材料都是晶体硅,当然是同质结。这就跟说“普通人”是“非基因改造人类”差不多。当然这里主要是为了跟HIT区分开来,所以强调“同质”。
  
  其实同质异质并不重要,重要的是制备温度。我们知道钙钛矿/晶硅电池的制备顺序是先晶硅后钙钛矿,这个温度耐受性就比较重要了。比如我们知道的最普遍的基于介孔氧化钛电子传导层的钙钛矿太阳能电池的制备温度必须要高于400C,在这个温度下,HIT电池基本完蛋;事实上HIT在200C以上就不行了,主要是它的非晶硅层受不了。这就要求钙钛矿顶层电池只能采用低温制备工艺。比如很多主流的PECVD和ALD的工艺都不能使用了。而且一般而言,低温制备的钙钛矿电池的热稳定性都比较差。而热稳定性是目前钙钛矿电池需要解决的关键问题之一
  
  晶体硅底层设计特点
  
  ANU采用的是属于n型同质结电池,掺杂通过普遍的硼磷高温掺杂实现,解决了温度的问题。然而对于叠层电池,特别是双端口串联叠层电池而言,子电池的开压极其重要,所以如果不加表面钝化的话,会完全落了HIT的下风。为了解决问题,ANU采用了开孔的局域接触(Si/Cr/Pd/Ag/ITO)+Al2O3/SiNx钝化层方案,类似于PERC,使得开压达到了尚可接受的0.62V。然而局域接触(1%)付出的代价是,填充因子就比较惨淡了!只有72%到74%的样子。更进一步,如果用局域扩散PERL的话,或许开压和填充因子都会有所提升。
  
  SiNx也与一般的标准晶硅电池的不同,折射率达到了2.8,也就是说硅的含量高得多。这样的设计有更好的光学折射率匹配,而短波寄生吸收则不是问题,因为短波几乎都被钙钛矿吸收了。
  
钙钛矿/同质结晶硅串联叠层电池效率超22%

 
  钙钛矿顶层设计特点
  
  钙钛矿顶层电池使用的是MoOx/Spiro-OmetaD/Cs_0.07Rb_0.03FA_0.765MA_0.135PbI_2.55Br_0.45/介孔TiOx/高密度TiOx/ITO的结构。改造后的钙钛矿层在大尺度上具有更好的均匀性。
  
  Spiro-OmetaD的寄生吸收比较严重。ANU作者认为将它替换为NiOx以后会有更好的光学性能(跟斯坦福组的思路一致)。节省下来的2.7mAcm-2的短路电流,实现电流匹配,反过来就可以用更高开压的钙钛矿材料了。和更高开压的晶硅底层结合,作者认为基本可以实现1.97V的串联开压,远超现在的1.75V。
  
钙钛矿/同质结晶硅串联叠层电池效率超22%

 
  结语:未来展望
  
  ANU的作者认为,经过优化设计上下两层和中间接触层,提升的开压和填充因子(78%)有望在实现29%的转化效率。
  
  兔子思考的是,如果开压和填充因子的矛盾如此难以调和,那么TopCON,亦或是选择载流子接触类型的晶体硅底层是不是更好的方案?
  
  兔子再思考的是,晶硅叠层的技术线路,对于晶硅本身的p型、n型之争,会有什么样的影响?
  
  一旦解放了温度这个限制,应该是开拓了很多设计的思路吧?
 
 
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