宁波材料所钙硅叠层最新Nature Energy

一、 【导读】 

叠层太阳能电池（TSCs）由工业成熟的结晶硅（c-Si）底电池和钙钛矿太阳能电池组成，这种结构有潜力实现超出单结太阳能电池Shockley-Queisser极限的超高效率（隆基最新钙硅叠层效率NREL认证：33.9%），同时仍然具有成本优势。叠层效率的提高离不开对顶部钙钛矿电池的研究，其中包括钙钛矿组成/厚度的调节，引入添加剂或额外的钝化层，以及在纹理c-Si衬底上开发适当的工艺等。然而提高TSCs效率也需要关注功能层，如连接顶部和底部子电池的电接触的复合层（RL）。高效的RL应当具有优异的光学特性及高红外透明度，以确保底部硅电池具有足够的光吸收及良好的电性能，且可以从顶部和底部子电池中提取和复合多余载流子。目前应用于高效TSCs的中间材料包括氧化物透明导电层（TCOs），如氧化铟锡（ITO）、氧化铟锌（IZO）和掺铝氧化锌等。此外，基于nc-Si:H(p+)/nc-Si:H(n+)的隧道复合层（TRL）也被广泛应用于制备高效的钙钛矿/c-Si TSCs。然而，这些设计存在一定局限性，因为这些复合层可能在薄膜沉积过程中造成损伤，或者限制顶部钙钛矿电池制备工艺（低温制备）。

二、【成果掠影】

近日，宁波材料所叶继春教授联合苏州大学李孝峰教授发表了相关论文，展示了利用由硼和磷掺杂的多晶硅叠层组成的隧道复合层钝化钙硅叠层太阳能电池，更有利于载流子传输及抽取。该太阳能叠层电池实现了28.76%的认证效率，500小时的MPP追踪仍保留85%的效率。第一作者Jingming Zheng和Zhiqin Ying，通讯作者为叶继春教授及李孝峰教授。相关文章以“Polycrystalline silicon tunnelling recombination layers for high-efficiency perovskite/tunnel oxide passivating contact tandem solar cells”发表在Nature Energy上。

三、【核心创新点】

1.报导了一种利用硼和磷掺杂的多晶硅（多晶硅）叠层组成的隧道复合层钝化钙/硅叠层

2.提高了对载流子传输及隧道机制的认知

 四、【数据概览】

图1.  微观和光伏性能。a.叠层结构示意图。b.TEM 图及EDS图谱。c.以IZO RL或poly-Si TRL 制备的perovskite/TOPCon TSCs的J-V曲线。d.PCE和VOC的统计分布图。e.顶电池和底电池的EQE图谱。f.认证的J-V曲线，有效面积0.1321cm²。g.长期稳定性测试（湿度=40-70%, 温度=20-35 °C）。 ©Springer Nature Limited

图2.  特征及性能。a.通过ECV测出的测量的多晶硅(p+)/多晶硅 (n+)/SiOx/n-Si结构的活化和掺杂剂硼和磷浓度分布。b.通过SIMS测出的测量的多晶硅(p+)/多晶硅(n+)/SiOx/n-Si结构的活化和掺杂剂硼和磷浓度分布。 c.能级结构图。d.不同样品的iVoc随光照强度的曲线。e.暗态J-V曲线。 f. TOPCon和TJ-TOPConSCs的J-V曲线。© Springer Nature Limited

图3.  Meo-2PACz的吸收计算和特性。a.MeO-2PACz吸附IZO（111）和SiO2（111）基多晶硅基板的局部电荷密度分布。 b.对应的COHP曲线。c. IZO/MEO-2PACz和poly-Si (p+)/MEO-2PACz的FTIR吸收图谱。d. IZO，poly-si (p+)，IZO/MEO-2PACz和poly-Si (p+)/MEO-2PACz的XPS的C 1s图谱。 © Springer Nature Limited

图4.  样品在IZO和poly-si(p+)上的电学性能。a.三维KPFM图片。b. UPS图谱。c.稳态荧光图谱。d.瞬态荧光光谱。e. PSK/MEO-2PACz/IZO的瞬态吸收光谱。f. PSK/MEO-2PACz/poly-Si(p+)的瞬态吸收光谱。g. PSK/MEO-2PACz/IZO在不同延迟时间下的瞬态吸收光谱。h. PSK/MEO-2PACz/ poly-Si(p+)在不同延迟时间下的瞬态吸收光谱。i.归一化的衰减动力学曲线。© Springer Nature Limited

图5. 载流子传输机制。a.光平衡态下的能带图。b. SC、MPP和OC条件下器件内的空穴和电子电流密度分布。c.掺杂浓度为(N_d) = 2 × 10¹⁹ cm^-3 MPP下多晶硅(p+)和多晶硅(n+)区域内的Jh和Je分布、复合/BBT率以及相应的能量图。d.掺杂浓度为(Nd) = 2 × 10²⁰ cm^-3 MPP下多晶硅 (p+) 和多晶硅 (n+) 区域内的Jh和Je分布, 复合/BBT率以及相应的能量图。e. N_d随太阳能电池器件参数的变化图谱。 © Springer Nature Limited

五、【成果启示】

本文作者展示了使用聚晶硅（poly-Si）再结合层（TRL）作为构建钙钛矿/TOPCon TSCs。通过抑制杂质的相互扩散和补偿作用，使得poly-Si(p+)/poly-Si(n+)界面处具有尖锐杂质边界的高掺杂浓度，从而形成了高质量的隧道结（TJ）。同时作者对poly-Si TRL的钙钛矿/TOPCon TSCs的载流子传输/隧道机制进行了全面的理论分析，揭示了通过BBD进行载流子传输对于实现高填充因子（FF）和效率的重要性。该项工作有望加速钙钛矿/TOPCon TSCs的工业化进程，使得光伏产业向开发更高效、更具成本效益的大规模能源生产技术迈出重要一步。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41560-023-01382-w

本文由搬砖仔儿供稿