钙钛矿电池有望实现光电转换效率达到30%！

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导言

晶硅PERC（钝化发射极及背接触）电池是目前最先进的太阳能电池技术之一，其量产转换效率已达到22%，并且相较薄膜电池或传统铝背场（BSF）电池， PERC电池的度电成本优势显著。

当前的问题是，哪项技术将成为新一代太阳能技术？

仅采用单一吸收体材料的太阳能电池在提高转换效率方面的潜力非常有限，其效率增益空间主要取决于吸收体的 禁带宽度 。图1所示为热力学（细致平衡）效率极限与禁带的关系曲线。太阳能电池的热力学效率极限也叫肖克利-奎伊瑟（Shockley-Queisser）极限，以首次计算出该极限的两位物理学家命名。

图1：最大理论效率与吸收体禁带宽度的关系。[1]

在AM1.5标准光谱下，曲线上的最大值约为33%，对应的禁带宽度为1.1eV或1.4eV。不过，效率峰值分布的范围也比较广。当禁带宽度为0.9-1.7eV时，转换效率也可超过30%。因此，大多数太阳光吸收材料的理论效率极限均较为相近。

晶硅的理论效率极限约为32%。然而，如果稍微偏离理想条件，考虑到（不可避免的）俄歇复合（Auger-Recombination），晶硅的效率极限便会降至29%左右。

2017年，日本钟化集团（Kaneka）开发的一块180cm²太阳能电池创下了26.6%的转换效率世界纪录[2]，已经比较接近理论极限。PERC电池（工艺改进）的转换效率记录目前由隆基保持，效率高达24.06%。

未来5到10年内，晶硅太阳能电池将达到25%左右的效率极限。届时，在不影响其成本优势的前提下，电池量产技术将无法再进一步完善，这样晶硅太阳能电池技术就将失去主流技术所需要具备的经济可行性。晶硅电池达到上述极限的过程将相对容易，主要依靠不断降低光学损耗、电阻损耗以及最关键的复合损失。这一过程不需要任何“真正的”颠覆性技术。

那么，光伏行业的效率增益将会就此止步不前吗？会不会所有的改进措施都将依靠进一步降低成本（以及通过冷却等方法提高发电量）？

目前看来，唯一的办法似乎只有突破肖克利-奎伊瑟极限。原则上，有两种方法可以提高太阳能电池的理论效率极限：一是汇聚更多的太阳光；二是采用两种及以上禁带不同的吸收体材料。采用两种吸收体的电池称为“双结叠层电池”，超过两种吸收体的电池叫做“多结叠层电池”。

若要提高单个太阳能组件的发电量，最简单的方法之一就是使组件正反两面都能收集太阳光。相较单面电池组件，双面电池组件能够将光伏系统的发电量提高10-20%，但新增成本却微乎其微。在集中式光伏系统中，双面电池组件已是大势所趋，而且此类电站将是光伏装机项目中的主力军。

因此，在开发一项新的电池技术时，必须评估其与双面技术的兼容性。

聚光电池

首先，我们来看一下聚光电池技术。通过汇聚太阳光，会产生更多的载流子，同时其复合保持不变，这样开路电压就会升高，太阳能电池的转换效率也就随之提高。如图2所示，在理想条件下，电池效率随着辐照强度增强而呈对数增长。理论上来说，如果汇聚的太阳光增强1000倍，太阳能电池效率可提高约25%（相对值），电池效率极限可提高约7%（绝对值）。

图2：不同串联电阻下的电池效率与聚光比的关系

不过，在实际操作中，聚光存在许多限制，如光学损耗至少在15-20%、额外的电阻损耗、温度上升、入射接收角较小、成本高昂等。此外，聚光电池技术与双面技术也不兼容。因此，基于单结电池的聚光光伏系统在性能上不如未采用聚光技术的电池，并且成本还更高。我们不认为聚光电池是突破肖克利-奎伊瑟极限的可行技术。

双结叠层电池

双结叠层电池技术或多结电池技术旨在改善较宽的太阳光谱范围与单一半导体局限的吸收边限不相匹配的问题。图3所示为AM1.5G标准光谱。在禁带宽度为1.12 eV（约1100 nm）的晶硅太阳能电池中，能量较高（即波长较短）的光子全部被吸收，其剩余能量以热能的形式消散于晶格中——这一过程叫做热化。所有能量较低的光子均不被吸收，而是直接进入晶硅吸收体层。这些光子在背接触层被吸收并产生热量，或被反射或穿过组件。

图3：晶硅太阳能电池的光谱吸收和热损耗。 [1]

图4描述了三结太阳能电池的结构：三种不同的材料串联叠放。禁带较宽的材料位于顶部，可吸收所有能量大于其禁带的光子，其它光子将进入下一层。在这一结构中，禁带较宽的材料所产生的载流子的能量（VOC）将比禁带较窄的材料所产生的载流子要高，因此可有效减少热损耗。添加一层禁带较窄的材料可吸收更多的低能量光子，从而提高产光生电流。

图4：三结太阳能电池及相应的吸光区域。[4]

如图5所示，双结叠层电池的理论（细致平衡）效率极限取决于其顶电池和底电池的禁带能量。二者的最佳组合是0.95eV和1.7eV，这时效率最大值可达46%左右。对于底电池材料来说，晶硅是一个非常不错的选择。配以禁带宽度为1.8eV的顶电池，转换效率可达44%左右。另外，双结叠层电池技术与双面电池组件技术相容。根据不同的反射率，晶硅底电池可通过背面额外收集10-20%的太阳光。对于双结叠层电池来说，这意味着顶电池的禁带宽度需要降低，从而使其产生更多的电流，确保顶电池和底电池的电流相匹配。因此，在采用晶硅底电池的双面双结叠层电池中，顶电池的禁带宽度最好降低至1.6eV左右。

图5：双结叠层电池的（细致平衡）效率极限[1]

理论上来说，双结叠层电池技术可以将晶硅太阳能电池的效率提高12%（绝对值）那么，双结叠层电池技术能为量产太阳能电池效率带来又一次飞跃吗？

采用III-V族半导体的双结叠层电池或多结电池已被证明具有超高潜力：其实验室效率已超过46%[5]，量产效率约为40%。不过，III-V族半导体技术极其昂贵。其中，仅晶片成本就已经是硅片的200倍以上。因此，只有将太阳光的聚光量提高500倍左右，该技术才具有可行性。总而言之，由于成本过高，III-V族半导体技术目前依然无法与主流晶硅电池技术相抗衡。

长久以来，研发人员一直在寻找合适的吸收体材料来作为顶电池，与晶硅底电池搭配使用。图6显示了与效率为25%的晶硅底电池组合时，顶电池所需要达到的效率[6]。

若要实现接近30%的电池效率，当采用禁带宽度小于1.7eV的材料时，顶电池效率需要达到20%以上。到目前为止，研发人员还未找到合适的材料。碲化镉（CdTe）本来有望成为候选材料，但其禁带过窄，只有1.4eV。非晶硅和铜镓硒（CGS）的禁带宽度在1.7eV左右，比较合适，但其转换效率太低。半导体量子结构不仅不解决问题，还会引发新的问题。

图6：底电池效率不变，顶电池所需达到的效率。[6]

目前，顶电池有两种潜在候选材料：III-V族半导体和钙钛矿。

   那么，这两种候选材料各有何优劣？

首先，III-V族半导体顶电池可与晶硅底电池配合使用。由于晶格失配和温度收支现象，两种材料无法直接用外延法生长在一起。

目前，III-V族半导体顶电池与晶硅底电池的双结叠层组合已在实验室中达到了32.8%的转换效率[7]。不过，这种电池技术的成本比晶硅电池高出了一个数量级。用外延法生长在锗或砷化镓晶片表面，再进行剥离和转移，似乎是最可行的做法，不过这在技术和经济性方面是否可行，尚有待证明。图7所示为上述结构的截面示意图[8]。

目前，普遍认为该技术在经济性上未达到量产标准。

图7：磷化镓铟/硅基双结叠层太阳能电池的结构示意图[8]

第二个选项是采用钙钛矿太阳能电池作为顶电池。近年来，全球各地的实验室在钙钛矿电池研发方面都取得了重大进展。钙钛矿单结电池的转换效率已超过20%。2018年6月，牛津光伏（Oxford PV）公司成功开发出效率高达27.3%的钙钛矿/硅基双结叠层电池，首次打破了单结晶硅电池26.6%的世界纪录[9]。

钙钛矿是一种前景非常广阔的吸收体材料。它们属于直接带隙半导体，因此其作为太阳能电池的吸收体材料时，厚度只需达到1 µm即可。禁带宽度的调整范围为1.5 eV左右至1.7 eV以上。而且，即便采用低成本沉积技术，也能实现出色的复合特性。其开路电压也正在逐步逼近肖克利-奎伊瑟极限。

钙钛矿太阳能电池在短时间内就能取得如此惊人的进展，着实令人印象深刻，但钙钛矿/硅基双结叠层电池在实现量产之前，还需要克服不少难关。

挑战1

最大的挑战就是如何确保钙钛矿电池的长期稳定性。标准组件可以在恶劣的户外气候条件下耐受25-30年，而钙钛矿在几分钟之内便会退化。不过，这方面目前也已取得显著进展：钙钛矿/硅基双结叠层电池与双玻组件技术相结合，可以通过DH1000或TC200试验[10]。目前，研发人员正在努力提高钙钛矿/硅基双结叠层电池抵抗紫外线辐射、湿气、高温和氧气的能力。

挑战2

第二项挑战在于要将不足1cm²的实验室级电池提升到正常硅片大小。这需要进行大量的工程设计，不过可以借助晶硅电池、薄膜电池及蓄电池生产中成熟的沉积技术，因此该项挑战不至于成为根本性障碍。

挑战3

钙钛矿通常含有铅、铯等剧毒元素。目前，这一点不会影响其在光伏组件中的使用，因为晶硅电池组件的焊带和金属化浆料中也含有铅。不过，未来新的法规也许会限制光伏组件使用有毒材料。如有需要，浆料和焊带中的铅可以轻而易举地找到替代品。但铅是构成钙钛矿的主要元素之一，目前还无法被取代。

钙钛矿/硅基双结叠层电池及组件结构

原则上来说，双结叠层电池组件有两种设计方法。一种方法是采用集成一体化结构：将底电池和顶电池集成在同一个电池片（如图8所示），再按照标准晶硅电池的工艺将双结叠层电池连接起来，形成电池组件。另一种方法是将顶电池和底电池分开，制成两个组件，然后再串联叠放并封装在一起。底电池组件的敷设多多少少有标准可循。顶电池组件可采用薄膜叠瓦技术。这种方法的优点在于顶电池和底电池之间不需要电流匹配，缺点在于接触和电池连接的工作量翻倍。

笔者认为，在协同效应、成本和生产良率方面，第一种方法的前景更加光明。此外，就目前的生产技术而言，这种方法所需要的改动也少得多。因此，我们将重点关注一体化双端叠层电池。

图8：典型的一体化双结叠层电池结构[11]

底电池

底电池可以采用P型硅片或N型硅片。虽然大多数实验室项目都采用N型异质结电池，但P型电池其实也是可行的。其中，顶电池和底电池的极性需要相匹配，这一点至关重要。在集成一体化型电池结构中，顶电池通常采用“反型”结构，将P层作为底层。这意味着底电池也需要将P接触层作为底层，这一点可以通过背结N型电池或常规的P型电池来实现。

不论是N型电池还是P型电池，都需要在顶电池形成隧穿结以及一层（导电）光学层。底电池正面无需镀减反射膜，也无需金属化。由于底电池不导电，因此不适合采用标准氮化硅正面钝化工艺，可以选择晶硅/氧化铟锡（a-Si/ITO）异质结技术，或选择带ITO覆盖层的多晶硅钝化接触作为光学元件。

目前，钙钛矿沉积工艺还不适用于制绒表面，因此底电池的正面需要进行抛光。不过，只要背面是制绒表面，正面抛光只会造成些微损耗。

顶电池

顶电池通常采用反型结构，第一层为空穴传输层（HTL），可采用贺利氏生产的氧化镍或PEDOT:PSS。空穴传输层必须足够薄，以防止红外寄生吸收。

钙钛矿吸收体层的禁带宽度可调整至1.55-1.6 eV，以便用于双面电池。许多论文特别关注如何提高钙钛矿的禁带宽度，使其达到1.7-1.8 eV，并且设法解决宽禁带材料的潜在损耗较高这一问题。机缘巧合的是，在确定与双面电池相匹配的电流时，恰好可以选用最合适的钙钛矿种类。

对于电子传输层（ETL）来说，PCBM聚合物是一个不错的选择，其次是用于横向导电并作为减反射膜的ITO层。

金属化和电池连接

钙钛矿只能承受130-150 °C的温度，因此无法采用温度高达900 °C左右的标准烧结工艺，而必须用低温银浆取代标准银浆或铝浆。贺利氏可根据烧结温度和烧结时间的具体要求为客户提供定制浆料。

如果采用PERC电池作为底电池，那么目前还没有合适的低温铝浆。晶硅和铝的共晶温度为577 °C，要在低于这个温度的情况下形成局部背场可能比较困难。因此，背面金属化必须在顶电池沉积之前完成印刷和烧结。不过，这种无法保证清洁度的金属化工艺（含粉尘及有机残留物）可能会对后续工艺及顶电池的质量产生不利影响。此外，还可以选择涂覆背银栅线，该工艺目前在双面异质结技术和隧穿氧化层钝化接触（TopCon）技术中均有使用。

在任何情况下，正面（和背面）的低温银栅线的电阻率均高于标准银栅线。因此，虽然电流减半，但建议选择多主栅（MBB）结构来降低串联电阻，减少银浆用量。多栅线连接和低温焊锡涂层有可能成为电池连接工艺的理想选择。此外，也可以考虑采用导电胶的叠瓦技术。贺利氏可根据固化温度的具体要求为客户提供定制导电胶。由于电流只有5A左右，半片电池组件很可能没有明显优势。

封装相对来说，钙钛矿对湿度等环境因素更加敏感，因此优选双玻组件。考虑到近期1.5-2 mm玻璃取得的技术进步，对于任何双面组件来说，双玻结构都是优选解决方案。根据我们的计算，无框双玻组件的生产成本已经低于标准有框玻璃背板组件。 系统每块组件的电压提高了一倍以上；每片电池的开路电压从700 mV左右提高到1800 mV左右。如果将60片电池串联形成组件，总开路电压将达到108 V。因此，电池串长度必须大幅缩减，使电压处于1000 V或1500 V以下。若要解决这一问题，可以将多个子串并联（例如类似基于半片电池的组件设计），或采用组件级直流优化器或微型逆变器。成本技术可行性解决之后，下一个问题自然是双结叠层电池技术在经济上可行吗？图9所示为当前市场价下无框双玻组件的生产成本。比较双面PERC单结电池与上述双结叠层电池的生产成本，可以发现双结叠层电池的效率需高出约4-5%（绝对值），其组件生产成本才会与双面PERC单结电池持平。如图6所示，这要求顶电池的效率达到20%左右。

图9：单结电池和双结叠层电池的组件生产成本与电池效率的关系

由于光伏平衡系统（BOS）带来的额外成本，从系统层面来看，每瓦组件价格会随着组件效率的提高而上涨。图10显示了当组件效率提升时，为保持光伏系统成本不变，组件价格的上涨空间。根据不同的BOS成本，组件效率每提高1%（绝对值），组件价格可提高约0.01欧元/瓦。

因此，双结叠层电池所需要的效率增益可以更低：只需要2-3%（绝对值）即可，不用达到5%（绝对值）。这样，组件生产成本只增加不到0.02欧元/瓦，而且可以转嫁到组件价格上。

图10：在保持光伏系统成本不变的前提下，组件价格的允许上涨空间与组件效率的关系。

结论

钙钛矿太阳能电池如今已成为双结叠层电池的可行解决方案，可搭配晶硅底电池，并且在全球各地的多家实验室内都取得了良好的试验成果。未来几年内，有望开发出转换效率比单结晶硅电池高出2-3%（绝对值）的双结叠层电池。钙钛矿双结叠层电池在经济性方面也颇具吸引力。目前最大的挑战依然是钙钛矿电池缺乏长期稳定性。

主流晶硅电池与组件技术的发展也令钙钛矿双结叠层电池受益匪浅，如多主栅连接和双玻双面组件。要将钙钛矿顶电池直接叠加在PERC底电池上似乎颇具挑战性，不过可以选择异质结电池或TopCon电池作为底电池，从而进一步推动未来电池技术的发展。

钙钛矿电池目前还存在许多问题，因此距离实现量产还有很长的一段路。不过，此类电池是目前唯一有望突破肖克利-奎伊瑟（Shockley-Queisser）极限、光电转换效率达到30%以上的可行解决方案。

参考文献

[1]Almansouri, IEEE J. Photovoltaics, 卷    5, p. 968, 2015.

[2]Kaneka,“http://www.kaneka.co.jp/en/service/news/nr201708252/,” 2017. 

[3]Jinko, “http://ir.jinkosolar.com/node/9751/pdf,” 2018. 

[4]s. junction, “http://www.sj-solar.com/technology/,”    2018. 

[5]Dimroth, IEEE journal of PV, 卷    6, p. 343, 2016.

[6]White, IEEE Journal of Photovoltaics, 卷    4, p. 208, 2014.

[7]Essig,    Nature, 卷 2,    2017.

[8]Essig,    IEEE journal of PV, 卷 6, 编号 4,    p. 1012, 2016.

[9]O. PV,    “https://www.oxfordpv.com/news/oxford-pv-sets-world-record-perovskite-solar-cell,”    2018. 

[10]Leijtens,Nature energy, 编号https://doi.org/10.1038/s41560-018-0190-4, 2018.

[11]Bush,    Nature energy rev., 卷 1, 编号 7,    2017.

[12]N. B. Werner, “perovskite Silicon tandem solar    cells,” 卷 5, 2018.

略有修改，源自：贺利氏可再生能源

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