最前沿——划重点5分钟带你掠过钙钛矿-晶体硅层叠电池的最新进展

Original 2017-07-13 欧阳子 PV兔子

前言

硅基太阳能电池组件的研发最近几年进入高速发展期，PERC、PERL、MWT、IBC、HIT、叠片、半片、双面、多主栅、无主栅、电镀，各路技术数都数不过来。即使传统网印技术依然强势无法撼动，各大光伏厂商也希望未雨绸缪，做好新技术新方向的技术储备，以防某个技术突然出现井喷的时候自己措手不及，失去市场先机。

布局更为长远的企业也在思考，当这些硅基太阳能电池组件技术都盖棺定论的时候（该大规模量产的大规模量产，该消亡的消亡），下一步的发展方向在哪里？即使问一个完全不懂光伏的人，他也会大胆的猜测：会不会应该是这样一项技术，它把现在产业的主流技术和科研机构研究的最热门的新技术结合了起来？如果这个思路成立，那结合了产业主流（晶体硅）和学界最热（钙钛矿）的钙钛矿-晶体硅层叠电池技术，一定是后晶体硅时代最不可忽视的发展方向之一。

兔子君在这里简单的为大家介绍一下这个技术方向的最新进展，也就是登上最新Progress in Photovoltaics太阳能电池效率榜榜单的，斯坦福大学研发的23.6%的钙钛矿-硅基双极太阳能电池（Bush, etc., Nature Energy, 17009, 2017）。

电池结构

斯坦福研究组采用了Cs0.17-FA0.83-Pb(Br0.17-I0.83 )3，简称CsFA的钙钛矿电池，搭配特制的HIT电池。CsFA钙钛矿顶电池是基于斯坦福的标准单结电池开发而来，具有14.5%左右的转换效率；HIT电池基于21.4%的电池，为了适应层叠电池的需要进行了改造，光照面（和钙钛矿电池接触面）没有制绒，背面采用了制绒工艺并配合了局域金属接触实现最大吸光，具有10%左右的转换效率。注意到钙钛矿电池和HIT电池为了配合层叠结构本身都做出了效率牺牲，但最后实现了23.6%的超高效率。

技术要点

1. 合适的能带匹配是层叠电池理论效率的关键。层叠技术的核心思想是利用日照全光谱。自上而下的层叠技术，理论上最理想的结构应该是上层宽带宽的子电池单元吸收掉所有的短波长太阳光同时让长波长太阳光完全透过；而下层窄带宽的子电池单元吸收掉所有的长波长太阳光。能带匹配是自上而下的层叠技术的理论核心，特别是双极串联设计涉及到电流匹配电压叠加，更是对子电池单元的吸光和开路电压（准费米能级分裂）提出了很高的要求。钙钛矿电池的有点之一是带宽高度可调，CsFA具有1.63eV的带宽，和晶体硅的1.1eV带宽有着很好的匹配。

2.合适的顶层缓冲层是钙钛矿电池实际效率和稳定性的关键。透明导电膜ITO溅射工艺对钙钛矿材料有很大的损伤，所以需要一层缓冲层。理想的缓冲层要求具有极少的对光的寄生吸收，能带匹配使之具有载流子选择接触的属性（确切讲是电子输运以及空穴阻碍属性）。同样重要的是，顶层缓冲层承载了防止有机阳离子反应和隔绝水汽渗透的作用，好的缓冲层对钙钛矿电池的稳定性有非常重要的作用。斯坦福的工作采用了ALD或者CVD制备的SnO2/ZTO结合作为顶层缓冲层，取得了非常好的效果。为了防止PC60BM与粗糙钙钛矿层形成的分流，一层薄薄的LiF也被放到两层中间。

3. 钙钛矿顶电池-晶体硅底电池界面是实现有效层叠的关键。因为钙钛矿电池必须被沉积到晶体硅电池基底之上，所以晶体硅光照面不能进行制绒。因为HIT电池不需要横向导电的需求，电流也大幅减少，为了实现较少的寄生光吸收，ITO的厚度得到了大幅的降低（20 nm）。钙钛矿电池部分，需要一层载流子选择接触实现对空穴的输运以及电子的阻隔。斯坦福研究组发现一层NiOx能够很好的实现这个功能。

4. 晶硅电池背面设计是弥补晶硅电池损失的关键。在这个23.6%的层叠电池中，HIT部分只有10%的效率贡献，远远低于传统的HIT单结电池。然而，即使是这10%，也是经过了精心的设计。因为正面，也就是和钙钛矿电池的接触面无法制绒，陷光的作用就只有在背表面实现了。但背面制绒不可避免的问题是增大的寄生光吸收。为了解决这个问题，斯坦福组采用了晶硅上逐渐进入主流的局域背接触技术。但稍有不同的是，他们采用的是硅纳米颗粒实现对背银和ITO的隔离。硅纳米颗粒据称具有1.4的n和很少的k，是理想的隔绝材料。

性能

23.6%的转换效率是目前钙钛矿-晶体硅层叠电池的世界纪录。纵向层叠达到了1.65 V的开路电压，18.1 mA/cm2的短路电流也归因于极佳的双层电流搭配，79%的填充因子是解决了一系列金属接触问题后的成果。

稳定性部分，这颗电池也通过了IEC61215测试。归因于SnO2/ZTO缓冲层的作用，85C-85%湿热测试1000小时未发现衰减。

展望

钙钛矿子电池的短路电流比晶硅子电池高出了0.4 mA/cm2，意味着有一定的空间可以调高钙钛矿的带宽。正表面反射，背表面寄生吸收，貌似都有改进的空间。HIT可做的工作不太多，但是钙钛矿子电池还有提效的余地。整体看来奔着30%效率去还是有可能的！

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