钙钛矿/硅叠层太阳电池中平面a-Si:H/c-Si异质结底电池的钝化优化及性能提高

最近,旋涂法制备的钙钛矿/平面硅异质结高效叠层太阳电池引起人们广泛关注,主要原因是相比于绒面硅衬底制备的钙钛矿/硅叠层太阳电池,其制备工艺简单、制备成本低且效率高.对于平面a-Si:H/c-Si异质结电池, a-Si:H/c-Si界面的良好钝化是获得高转换效率的关键,进而决定了钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的性能.本文主要从硅片表面处理、a-Si:H钝化层和P型发射极等方面展开研究,通过对硅片表面的氢氟酸(HF)浸泡时间和氢等离子体预处理气体流量、a-Si:H钝化层沉积参数、钝化层与P型发射极(I/P)界面富氢等离子体处理的综合调控,获得了相应的优化工艺参数.对比研究了p-a-Si:H和p-nc-Si:H两种缓冲层材料对I/P界面的影响,其中高电导、宽带隙的p-nc-Si:H缓冲层既能够降低I/P界面的缺陷态,又可以增强P型发射层的暗电导率,提高了前表面场效应钝化效果.通过上述优化,制备出最佳的P-type emitter layer/aSi:H(i)/c-Si/a-Si:H(i)/N-type layer (inip)结构样品的少子寿命与implied-Voc分别达到2855μs和709 mV,表现出良好的钝化效果.应用于平面a-Si:H/c-Si异质结太阳电池,转换效率达到18.76%,其中开路电压达到681.5 mV,相对于未优化的电池提升了34.3 mV.将上述平面a-Si:H/c-Si异质结太阳电池作为底电池,对应的钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池的开路电压达到1780 mV,转换效率达到21.24%,证明了上述工艺优化能够有效地改善叠层太阳电池中的硅异质结底电池的钝化及电池性能.     

硅基异质结太阳电池新进展

非晶硅/晶体硅异质结太阳电池(SHJ)是在晶体硅上沉积非晶硅薄膜,它综合了晶体硅电池与薄膜电池的优势,具有结构简单、工艺温度低、钝化效果好、开路电压高、温度特性好、双面发电等优点,是高转换效率硅基太阳电池的热点方向之一。本文首先综述了近几年SHJ电池制造工艺技术的进步,包括臭氧清洗硅片、热丝化学气相沉积技术沉积非晶硅薄膜、透明导电薄膜沉积方法和材料的改进,以及新型金属化电极技术在SHJ电池中的应用所取得的进展。然后介绍了结合背面结技术、载流子选择性钝化接触技术的硅异质结电池以及薄型硅异质结太阳电池最新研究情况。进一步分析了与叉指式背接触技术相结合的硅异质结电池、与钙钛矿太阳电池技术相结合的钙钛矿/硅异质结两端叠层太阳电池的研究现状,指出硅基异质结太阳电池是迈向更高效率太阳电池的基石。     

减小边缘复合助力28%效率的四端钙钛矿/硅叠层太阳能电池

钙钛矿/硅叠层太阳能电池由于能突破单结太阳能电池的效率极限而吸引了广泛的研究兴趣.然而,在将商业化的大面积硅电池切割为实验室所需的平方厘米级的小面积电池时,会造成显著的效率下降,限制了叠层电池的性能.为了消除传统的激光切割法造成的热损伤和热传导,减少切割后的异质结硅电池的非辐射复合,本工作采用砂轮划片这一冷加工方法,对异质结硅电池进行切割.与采用激光切割法得到的器件相比,冷加工法得到的异质结硅电池的截面损伤小,非辐射复合得到显著抑制,器件的开路电压和填充因子均得到提高,平均光电转换效率提高了1%.将得到的硅电池与正式半透明钙钛矿太阳能电池进行机械堆叠,获得了效率超过28%的四端钙钛矿/硅叠层太阳能电池.     

基于金属纳米球等离增强的高效钙钛矿/硅电池设计

以钙钛矿为顶、晶硅为底的钙钛矿/硅叠层电池可以提高太阳光谱的利用率,突破单结电池中的肖克利极限(SQ极限),是实现更高光电转换效率的有效途径之一.如何降低光子在电池表面和界面的传输损失,最大化响应层的吸收效率是其中的关键.本文通过时域有限差分法和严格耦合波分析,系统研究了不同种类金属纳米球对钙钛矿/硅叠层电池的光谱响应和能量转换效率的增强机制.结果表明,由于表面电子云对光波的共振增强,金属纳米结构的引入显著提升了光子进入到电池响应层的透射率,电池总的吸收光谱和量子响应效率因而得到明显提升.对于最优的Al纳米球,观察到的加权平均透射率从73.16%提升到79.15%,电池能量转换效率从23.09%提高到24.97%,效率相对提高了8.14%.     

迈向效率大于30%的钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池技术的研究进展

双结叠层太阳能电池由两个具有不同带隙吸收体的电池组成,通过差异化吸收更宽范围波长的太阳光,降低光子热化损失,已展现出打破单结太阳能电池Shockley-Queisser极限效率的巨大优势.获益于钙钛矿电池带隙可调和制备成本低的优点以及晶硅电池产业化的优势,钙钛矿/晶硅叠层太阳电池成为光伏领域的研究热点.本文系统的梳理了钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的最新研究进展,重点从钙钛矿顶电池、中间互联层和晶硅底电池的结构出发,总结出高效叠层器件在光学和电学方面的设计原则.本文还详细地分析了限制钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池继续提效的关键因素及解决措施,这对于钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的产业化之路是非常重要的.最后,对下一代更高效率的低成本叠层太阳能电池进行了展望.我们认为随着对光伏器件效率要求越来越高,基于钙钛矿/晶硅叠层结构的三结电池将会成为下一代低成本高效电池的研究热点.     

有机无机杂化固态太阳能电池的研究进展

近年来, 由于钙钛矿材料优良的光学吸收和电荷传导特性, 有机无机杂化固态太阳能电池取得了突破性的进展. 自2009年首次报道了光电转换效率为3.8%的钙钛矿太阳能电池以来, 该类电池的效率不断突破. 基于介孔薄膜的电池已取得了超过16.7%的认证光电转换效率, 基于平板异质结结构电池光电转换效率达到19.3%, 已接近传统硅基太阳能电池的光电转换效率. 本文将介绍有机无机杂化钙钛矿作为光电材料的光学物理结构特性, 以及在固态太阳能电池中的应用. 基于固态钙钛矿太阳能电池结构上的差异, 分别介绍其在多孔结构、平板异质结结构、柔性结构以及无空穴传导材料结构电池工作特性和各自优势, 以及影响电池特性的主要影响因素, 特别是钙钛矿成膜控制等. 并阐述对钙钛矿电池的理解和进一步提高固态钙钛矿电池光电转换效率需要关注的重点以及展望.     

单室沉积非晶硅/非晶硅/微晶硅三叠层太阳电池的研究

在产业化比较成熟的单室沉积非晶硅薄膜太阳电池基础上,进行了非晶硅/非晶硅/微晶硅三叠层太阳电池性能优化的研究.在生产线上纯单室沉积的非晶硅/非晶硅叠层太阳电池基础上,通过调节n-p隧穿结并采用自行研制开发的单室微晶硅底电池的沉积路线,获得了单室沉积的光电转换效率达到9.52%的非晶硅/非晶硅/微晶硅三叠层太阳电池. 关键词： 硅基薄膜太阳电池 三叠层 微晶硅     

电化学染料增感对聚苯胺/硅异质结电池的影响

采用电化学氧化聚合染料增感方法，利用有机染料直接耐晒翠兰对太阳电池顶区材料聚苯胺进行了有机染料增感研究，制备出了Al栅/DS-PAn/n-Si/Al结构的染料增感聚苯胺/硅异质结太阳电池.研究表明，染料增感可使聚苯胺在光照射下光生载流子明显增强，较大幅度地改善聚苯胺的可见光谱响应；J-V特性表明，电池二极管的曲线因子约为6.3，p-n结的潜在势垒高度为0.89 eV；与未增感的PAn/n-Si异质结太阳电池相比，染料增感的DS-PAn/n-Si异质结太阳电池的短路电流和转换效率得到了较大提高，在37.2 W/m2的光照射下，经染料增感的电池短路电流较增感前提高了约6倍，填充因子可达57%，转换效率达1.42%.     

高效平面异质结有机-无机杂化钙钛矿太阳电池的质量管理

基于有机-无机杂化钙钛矿材料的太阳电池具有能量转换效率高和制备工艺简单等优点,引起了学术界的高度关注.其中平面异质结结构太阳电池具有结构简单,可与其他类型电池相兼容以构筑叠层电池设计,以及可低温制备等诸多优点,成为当前的一个重要研究方向.然而,电池性能的优劣与钙钛矿薄膜质量的高低有着直接的联系.本文对钙钛矿材料的特性、一步溶液法制备薄膜的成核-生长机理、电池结构的演变等进行了概述,其中重点介绍了高质量钙钛矿薄膜溶液法制备过程的一些最新的质量控制方法;最后对钙钛矿太阳电池的发展及存在问题进行了总结和展望,为今后的研究提供参考.     

平面异质结有机-无机杂化钙钛矿太阳电池研究进展

高效低成本太阳电池的研发是太阳能光伏技术大规模推广应用的关键. 近年来兴起的有机- 无机杂化钙钛矿(以下简称钙钛矿)太阳电池因具有光电能量转换效率高、制备工艺简单等优点, 引起了学术界和产业界的广泛关注, 具有广阔的发展前景. 其中平面异质结钙钛矿太阳电池因具有结构简单, 可低温制备等诸多优点, 成为目前研究的一个重要方向. 平面异质结钙钛矿太阳电池分为n-i-p型和p-i-n型两种结构. 其中钙钛矿分别与电子传输层和空穴传输层形成两个界面, 在这两个界面上实现电子和空穴的快速分离. 电子传输层和空穴传输层分别为电子和空穴提供了独立的输运通道. 平面异质结结构有利于钙钛矿太阳电池中电子和空穴的分离、传输和收集. 此外, 该结构不需要高温烧结的多孔结构氧化物骨架, 扩大了电子和空穴传输材料的选择范围. 可以根据钙钛矿材料的能带分布及载流子传输特性, 来选择能级和载流子传输速率更为匹配的传输材料. 本文对钙钛矿的材料特性, 平面异质结结构的由来及发展进行了简要的概述. 其中重点介绍了平面异质结钙钛矿太阳电池的结构特征、工作机理、钙钛矿/电荷传输层的界面特性, 以及电池性能的优化, 包括钙钛矿薄膜制备、空穴和电子传输层的优化等. 最后对钙钛矿电池的发展前景及存在问题进行了阐述, 为今后高效、稳定钙钛矿太阳电池的研究提供参考.     

Optical simulation of CsPbI3/TOPCon tandem solar cells with advanced light management

Monolithic perovskite/Si tandem solar cells (TSCs) have experienced rapid development in recent years, demonstrating its potential to exceed the Shockley-Queisser limit of single junction Si solar cells. Unlike typical organic-inorganic hybrid perovskite/silicon heterojunction TSCs, here we propose CsPbI₃/TOPCon TSC, which is a promising architecture in consideration of its pleasurable thermal stability and good compatibility with current PERC production lines. The optical performance of CsPbI₃/TOPCon TSCs is simulated by the combination of ray-tracing method and transfer matrix method. The light management of the CsPbI₃/TOPCon TSC begins with the optimization of the surface texture on Si subcell, indicating that a bifacial inverted pyramid with a small bottom angle of rear-side enables a further minimization of the optical losses. Current matching between the subcells, as well as the parasitic absorption loss from the front transparent conductive oxide, is analyzed and discussed in detail. Finally, an optimized configuration of CsPbI₃/TOPCon TSC with a 31.78% power conversion efficiency is proposed. This work provides a practical guidance for approaching high-efficiency perovskite/Si TSCs.     

A new proposal for Si tandem solar cell: Significant efficiency enhancement in 3C–SiC/Si

In order to considerable enhancement of the efficiency of silicon solar cells, in this paper, for the first time, we present a new proposal for silicon based tandem solar cells. For investigation of this idea, we have evaluated the characteristics of 3C–SiC/Si crystalline tandem solar cells connected series by a tunneling junction, under air mass 1.5 global irradiance spectrums. A 2D simulation including the effects of surface passivation, back surface field (BSF), and carrier tunneling have been performed to obtain the optical and electrical characteristics of single junction silicon, 3C–SiC, and finally the tandem cells. The obtained data illustrate that the best design parameters considering the experimental limitations can be obtained. High energy conversion efficiency for the proposed structure of 26.09% has been achieved for 3C–SiC/Si tandem structure driven by 20.49% and 17.86% conversion efficiencies of single junction Si and 3C–SiC solar cells, respectively. Our results justifies that the higher conversion efficiency of the Si-based tandem structure compared with 3C–SiC and Si cells stems from enhancement of open circuit voltage and fill factor parameter at the hands of decrease in short circuit current limited by the top 3C–SiC cell.     

Influence of the semiconductor/metal rear contact on the performance of n(a-Si:H)/i(a-Si:H)/p(c-Si) heterojunction solar cells

The aim of this work is to analyze on the results of using of Al/Ag layer as a rear contact to improve the performance of heterojunction silicon solar cells. An analytical method is presented to extract the physical parameters of the equivalent circuit. These parameters are extracted to simulate the I(V) characteristic of heterojunction silicon solar cells, with Al and Al/Ag rear-metal contact. A good agreement between our analytical method and experimental measurement of electrical characteristics is obtained which show clearly how the Al/Ag rear contact can improve the characteristics of silicon solar cells. The influence of the rear-metal contact on the performance of the c-Si(p)-based bifacial HIT solar cell, i.e., the ZnO/Al/a-Si:H(n)/a-Si:H(i)/c-Si(p)/metal solar cell, is investigated in detail by computer simulation using the AFORS-HET software. Accordingly, the design optimization of the bifacial HIT solar cells on c-Si(p) substrates is provided. These simulation show an optimal conversion efficiency of 23% when the rear-metal contact is perfectly ohmic.     

Influence of front contact work function on silicon heterojunction solar cell performance

In this study, we present numerical and experimental analyses of the effect of the work function of the transparent conducting oxide (TCO) on the performance of silicon heterojunction solar cells. The simulation results showed that the solar cell performance such as V_oc and FF were strongly affected by the work function of TCO films due to band bending. The experimental analysis was carried out by preparing Zn–In–Sn–O films with varying work function by varying the composition. The compositional dependence of the work function, optical and electronic properties of Zn–In–Sn–O films was examined, and the performance of the silicon heterojunction solar cells with corresponding TCO films was analyzed. The electrical properties and work function in Zn–In–Sn–O films were significantly influenced by Zn content, and Zn–In–Sn–O film with 12.7 at.% Zn content, which had the highest work function and lowest resistivity among the studied films, resulted in the highest conversion efficiency of solar cell due to increased V_oc and FF. It was shown that the behavior of performance parameters in silicone heterojunction solar cells closely correlated with the work function and electrical properties of TCO films.     

Micromorph tandem solar cells: optimization of the microcrystalline silicon bottom cell in a single chamber system

We report on the development of single chamber deposition of microcrystalline and micromorph tandem solar cells directly onto low-cost glass substrates. The cells have pin single-junction or pin/pin double-junction structures on glass substrates coated with a transparent conductive oxide layer such as SnO₂ or ZnO. By controlling boron and phosphorus contaminations, a single-junction microcrystalline silicon cell with a conversion efficiency of 7.47% is achieved with an i-layer thickness of 1.2 μm. In tandem devices, by thickness optimization of the microcrystalline silicon bottom solar cell, we obtained an initial conversion efficiency of 9.91% with an aluminum (Al) back reflector without a dielectric layer. In order to enhance the performance of the tandem solar cells, an improved light trapping structure with a ZnO/Al back reflector is used. As a result, a tandem solar cell with 11.04% of initial conversion efficiency has been obtained.     

单室沉积高效非晶硅/微晶硅叠层太阳电池的研究

采用甚高频等离子体增强化学气相沉积技术,在前期单室沉积的微晶硅薄膜太阳电池和非晶硅/微晶硅叠层太阳电池研究的基础上,通过对微晶硅底电池本征层硅烷浓度的优化,获得了初始效率达到11.02%(电池面积1.0 cm²)的非晶硅/微晶硅叠层太阳电池.同时,100 cm²的非晶硅/微晶硅叠层太阳电池的组件效率也达到了9.04%. 关键词： 非晶硅/微晶硅叠层电池 单室 甚高频     

载流子选择性接触:高效硅太阳电池的选择

太阳电池可看成由光子吸收层和接触层两个基本单元组成,接触层是高复合活性金属界面和光子吸收层之间的区域.为了进一步提高硅太阳电池的转换效率,关键是降低光子吸收层和接触之间的复合损失.近年来,载流子选择性接触引起了光伏界的研究兴趣,其被认为是接近硅太阳电池效率理论极限的最后的障碍之一.本文分析了三种类型的载流子选择性接触:在光子吸收层与金属界面之间引入薄的重掺杂层,即所谓的发射极或背面场;利用两种材料之间的导带或价带对齐;利用高功函数的金属氧化物与晶硅接触从而在晶硅中感应能带弯曲.基于一维太阳电池模拟软件wx AMPS,模拟了扩散同质结硅太阳电池[结构为(p~+)c-Si/(n)c-Si/(n~+)c-Si]、非晶硅薄膜硅异质结太阳电池[结构为(p~+)a-Si/(i)a-Si/(n)c-Si/(i)a-Si/(n~+)a-Si]和氧化物薄膜硅异质结太阳电池[结构为(n)MoO_x/(n)c-Si/(n)TiO_x]暗态下的能带结构和载流子浓度的空间分布,其中c-Si为晶硅;a-Si为非晶硅;(i),(n)和(p)分别表示本征、n型掺杂和p型掺杂.模拟结果表明:载流子选择性接触的核心是在接触处晶硅表面附近形成载流子浓度空间分布的不对称进而使得电导率的不对称,形成了对电子的高阻和空穴的低阻或者对空穴的高阻和电子的低阻,从而让空穴轻松通过同时阻挡电子,或者让电子轻松通过同时阻挡空穴,形成空穴选择性接触或者电子选择性接触.     

硅异质结太阳电池的物理机制和优化设计

硅异质结太阳电池是一种由非晶硅薄膜层沉积于晶硅吸收层构成的高效低成本的光伏器件,是一种具有大面积规模化生产潜力的光伏产品.异质结界面钝化品质、发射极的掺杂浓度和厚度以及透明导电层的功函数是影响硅异质结太阳电池性能的主要因素.针对这些影响因素已经有大量的研究工作在全世界范围内展开,并且有诸多研究小组提出了器件效率限制因素背后的物理机制.洞悉物理机制可为今后优化设计高性能的器件提供准则.因此及时总结硅异质结太阳电池的物理机制和优化设计非常必要.本文主要讨论了晶硅表面钝化、发射极掺杂层和透明导电层之间的功函数失配以及由此形成的肖特基势垒;讨论了屏蔽由功函数失配引起的能带弯曲所需的特征长度,即屏蔽长度;介绍了硅异质结太阳电池优化设计的数值模拟和实践;总结了硅异质结太阳电池的研究现状和发展前景.