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科學新知:2022 Adv. Energy Mater., 27.6% 鈣鈦礦/c-Si 串聯太陽能電池! TOPCon 結構實現大規模工業生產?

  有機-無機金屬鹵化物鈣鈦礦在多種應用中顯示出巨大的潛力。特別是在光伏 (PV) 器件中,有機-無機金屬鹵化物鈣鈦礦可以透過溶液處理獲得優異的光電性能。透過變更成分,鈣鈦礦薄膜的帶隙也可以很容易地改變。與 III-V 族高帶隙半導體材料相比,鈣鈦礦薄膜成本低且易於製造,鈣鈦礦電池成為單結太陽能電池與多結太陽能電池的潛在候選者。在過去 12 年裡,鈣鈦礦太陽能電池的功率轉換效率從 3.8% 迅速提高到 25.7%,超過了其熱力學極限的 80%。除了單結器件的巨大進步,串聯器件同樣有著令人印象深刻的成就,其效率明顯可能超過 30%。

  目前最有希望克服單結 Shockley-Queisser 極限的解決方案是串聯電池結構。澳洲 Klaus Weber 等人使用具有隧道氧化物鈍化接觸 (TOPCon) 結構的 c-Si 電池作為串聯裝置的底部電池,並將經溶液處理的鈣鈦礦薄膜作為串聯裝置的頂部電池。c-Si電池採用 n 型矽襯底。與基於 p 型基板的電池相比,基於 n 型基板的電池通常顯示出更高的壽命和更少的退化,因此對於高效器件具有吸引力。c-Si電池的特點是具有損壞蝕刻 (但沒有紋理) 的頂部表面。研究團隊在損傷蝕刻的前表面上共形地製造鈣鈦礦子電池,以減輕粗糙 c-Si 基板的負面影響,從而防止跨載流子傳輸層、吸收層及其相關界面的分流路徑。此外,研究團隊揭示了 TOPCon 子電池電損耗的來源,並展示了與檯面結構的後部局部接觸,這對於大規模生產是可行的。

Perovskitec-Si tandem solar cell TOPCon structure
a)單片鈣鈦礦/c-Si 串聯電池的示意圖,b-d)分別說明粗糙表面的緩解、反射率管理和 TOPCon 結構設計。e) 在 AM1.5G 太陽光模擬器照光下,串聯裝置的 IV 曲線,有效面積為 1-cm2

  為了提高串聯裝置的效率,研究團隊分析了串聯裝置的主要損耗。研究發現,電壓損失主要來自鈣鈦礦。如下圖所示,研究團隊製造了三個測試結構,並使用光致發光 (PL) 與發光量子產率 (PLQY) 測試系統來評估隱含的 VOC。對於石英/鈣鈦礦,測得的隱含 VOC 為 1.25 V。這是其帶隙 (1.68 eV) 的 ≈430 mV 電壓不足,或與 Schockley-Queisser 極限相比有 ≈150 mV 的不足。在這種高帶隙混合陽離子/鹵化物鈣鈦礦中,這種大電壓不足的原因可能與鈣鈦礦吸收劑內的鹵化物或陽離子偏析和缺陷有關。

PLQY Voc loss analysis PL spectrum Perovskite and c-Si solar cell

a) 使用光致發光與發光量子產率測試系統,測試鈣鈦礦頂部電池測試結構的 PL 光譜。b) 器件模擬 c-Si 底部電池的複合 Voc-loss 損耗分析。

  透過上述的方法研究,實驗證實,使用工業生產的具有 TOPCon 結構的底部 c-Si 電池的單片串聯器件實現了 27.6% 的效率 (1- cm2)。

c-Si solar cell IV curve under solar simulator

c-Si電池測試結構示意圖。d)c-Si 器件在太陽光模擬器照射下的模擬 IV 曲線。 e)在太陽光模擬器照射下,串聯器件的反向掃描 IV 曲線。 f)串聯電池的反射率和外部量子效率曲線。

關鍵字:鈣鈦礦、Perovskite、c-Si、Voc損耗、Voc Loss Analysis、光致發光與發光量子產率測試、PLQY、Photoluminescence and Luminescence Quantum Yield Test System、量子效率、Quantum Efficiency

原文: https://doi.org/10.1002/aenm.202200821

 

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