鉅大LARGE | 點擊量：826次 | 2021年11月27日
晶體硅層疊電池的最新進展
硅基太陽能電池組件的研發(fā)最近幾年進入高速發(fā)展期，PERC、PERL、MWT、IBC、HIT、疊片、半片、雙面、多主柵、無主柵、電鍍，各路技術(shù)數(shù)都數(shù)不過來。即使傳統(tǒng)網(wǎng)印技術(shù)依然強勢無法撼動，各大光伏廠商也希望未雨綢繆，做好新技術(shù)新方向的技術(shù)儲備，以防某個技術(shù)突然出現(xiàn)井噴的時候自己措手不及，失去市場先機。
布局更為長遠的公司也在思考，當(dāng)這些硅基太陽能電池組件技術(shù)都蓋棺定論的時候（該大規(guī)模量產(chǎn)的大規(guī)模量產(chǎn)，該消亡的消亡），下一步的發(fā)展方向在哪里？即使問一個完全不懂光伏的人，他也會大膽的猜測：會不會應(yīng)該是這樣一項技術(shù)，它把現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)的主流技術(shù)和科研機構(gòu)研究的最熱門的新技術(shù)結(jié)合了起來？假如這個思路成立，那結(jié)合了產(chǎn)業(yè)主流（晶體硅）和學(xué)界最熱（鈣鈦礦）的鈣鈦礦-晶體硅層疊電池技術(shù)，一定是后晶體硅時代最不可忽視的發(fā)展方向之一。
兔子君在這里簡單的為大家介紹一下這個技術(shù)方向的最新進展，也就是登上最新ProgressinPhotovoltaics太陽能電池效率榜榜單的，斯坦福大學(xué)研發(fā)的23.6%的鈣鈦礦-硅基雙極太陽能電池（Bush,etc.,NatureEnergy,17009,2017）。
電池結(jié)構(gòu)
斯坦福研究組采用了Cs0.17-FA0.83-Pb(Br0.17-I0.83)3，簡稱CsFA的鈣鈦礦電池，搭配特制的HIT電池。CsFA鈣鈦礦頂電池是基于斯坦福的標(biāo)準(zhǔn)單結(jié)電池開發(fā)而來，具有14.5%左右的轉(zhuǎn)換效率；HIT電池基于21.4%的電池，為了適應(yīng)層疊電池的要進行了改造，光照面（和鈣鈦礦電池接觸面）沒有制絨，背面采用了制絨工藝并配合了局域金屬接觸實現(xiàn)最大吸光，具有10%左右的轉(zhuǎn)換效率。注意到鈣鈦礦電池和HIT電池為了配合層疊結(jié)構(gòu)本身都做出了效率犧牲，但最后實現(xiàn)了23.6%的超高效率。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
技術(shù)要點
1.合適的能帶匹配是層疊電池理論效率的關(guān)鍵。層疊技術(shù)的核心思想是利用日照全光譜。自上而下的層疊技術(shù)，理論上最理想的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是上層寬帶寬的子電池單元吸收掉所有的短波長太陽光同時讓長波長太陽光完全透過；而下層窄帶寬的子電池單元吸收掉所有的長波長太陽光。能帶匹配是自上而下的層疊技術(shù)的理論核心，特別是雙極串聯(lián)設(shè)計涉及到電流匹配電壓疊加，更是對子電池單元的吸光和開路電壓（準(zhǔn)費米能級分裂）提出了很高的要求。鈣鈦礦電池的有點之一是帶寬高度可調(diào)，CsFA具有1.63eV的帶寬，和晶體硅的1.1eV帶寬有著很好的匹配。
2.合適的頂層緩沖層是鈣鈦礦電池實際效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。透明導(dǎo)電膜ITO濺射工藝對鈣鈦礦材料有很大的損傷，所以要一層緩沖層。理想的緩沖層要求具有極少的對光的寄生吸收，能帶匹配使之具有載流子選擇接觸的屬性（確切講是電子輸運以及空穴阻礙屬性）。同樣重要的是，頂層緩沖層承載了防止有機陽離子反應(yīng)和隔絕水汽滲透的用途，好的緩沖層對鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性有非常重要的用途。斯坦福的工作采用了ALD或者CVD制備的SnO2/ZTO結(jié)合作為頂層緩沖層，取得了非常好的效果。為了防止PC60BM與粗糙鈣鈦礦層形成的分流，一層薄薄的LiF也被放到兩層中間。
3.鈣鈦礦頂電池-晶體硅底電池界面是實現(xiàn)有效層疊的關(guān)鍵。因為鈣鈦礦電池必須被沉積到晶體硅電池基底之上，所以晶體硅光照面不能進行制絨。因為HIT電池不要橫向?qū)щ姷男枨?，電流也大幅減少，為了實現(xiàn)較少的寄生光吸收，ITO的厚度得到了大幅的降低（20nm）。鈣鈦礦電池部分，要一層載流子選擇接觸實現(xiàn)對空穴的輸運以及電子的阻隔。斯坦福研究組發(fā)現(xiàn)一層NiOx能夠很好的實現(xiàn)這個功能。
4.晶硅電池背面設(shè)計是彌補晶硅電池損失的關(guān)鍵。在這個23.6%的層疊電池中，HIT部分只有10%的效率貢獻，遠遠低于傳統(tǒng)的HIT單結(jié)電池。然而，即使是這10%，也是經(jīng)過了精心的設(shè)計。因為正面，也就是和鈣鈦礦電池的接觸面無法制絨，陷光的用途就只有在背表面實現(xiàn)了。但背面制絨不可防止的問題是增大的寄生光吸收。為了解決這個問題，斯坦福組采用了晶硅上逐漸進入主流的局域背接觸技術(shù)。但稍有不同的是，他們采用的是硅納米顆粒實現(xiàn)對背銀和ITO的隔離。硅納米顆粒據(jù)稱具有1.4的n和很少的k，是理想的隔絕材料。
性能
23.6%的轉(zhuǎn)換效率是目前鈣鈦礦-晶體硅層疊電池的世界紀(jì)錄。縱向?qū)盈B達到了1.65V的開路電壓，18.1mA/cm2的短路電流也歸因于最佳的雙層電流搭配，79%的填充因子是解決了一系列金屬接觸問題后的成果。
穩(wěn)定性部分，這顆電池也通過了IEC61215測試。歸因于SnO2/ZTO緩沖層的用途，85C-85%濕熱測試1000小時未發(fā)現(xiàn)衰減。
展望
鈣鈦礦子電池的短路電流比晶硅子電池高出了0.4mA/cm2，意味著有一定的空間可以調(diào)高鈣鈦礦的帶寬。正表面反射，背表面寄生吸收，貌似都有改進的空間。HIT可做的工作不太多，但是鈣鈦礦子電池還有提效的余地。整體看來奔著30%效率去還是有可能的！
原標(biāo)題：最前沿——劃重點5分鐘帶你掠過鈣鈦礦-晶體硅層疊電池的最新進展
