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.     

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.     

钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的研究进展

有机—无机杂化钙钛矿电池因其禁带宽度可调、光吸收系数高、光电转化效率高、制备成本低等优点而被用于硅基叠层太阳能电池中,使得太阳能电池的转换效率提高,生产成本降低,应用范围也更为广泛。文章介绍了钙钛矿吸收材料和钙钛矿/晶硅叠层电池的工作原理,对钙钛矿/晶硅叠层电池的类别、影响其性能的主要因素进行了归纳综述,对钙钛矿/晶硅叠层电池未来发展进行了展望。     

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     

宽带隙钙钛矿材料及太阳电池的研究进展

金属卤化物钙钛矿太阳电池在近几年获得了巨大进展.目前单结钙钛矿太阳电池转化效率已经达到25.2%.经过带隙调整得到的1.63 e V及以上的宽带隙钙钛矿太阳电池是制备多结叠层太阳电池中顶部吸收层的最佳材料.除高效叠层太阳电池外,宽带隙钙钛矿在光伏建筑一体化以及光解水制氢等领域中也有着广阔的应用前景.然而这种钙钛矿薄膜本身缺陷较多,在光照下还容易发生卤素分离,这也是限制宽带隙钙钛矿太阳电池发展的关键因素.本文综述了目前宽带隙钙钛矿及太阳电池的发展现状,最后对其未来发展前景进行了展望.     

反式平面钙钛矿太阳电池的光学损失分析

实现高效率光伏器件的先决条件之一是入射光被吸光层有效吸收,因此系统分析钙钛矿光伏电池中的光学损失机制,优化吸光层的光吸收,对于提升效率十分重要。本文针对反式平面钙钛矿太阳电池,结合电池外量子效率(EQE)、薄膜光吸收特性和理论模拟,对比研究钙钛矿吸光层和[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester(PCBM)界面层厚度变化对光生电流的影响。研究结果显示,除了寄生吸收以外,界面层对光场的调节可以影响器件中吸光层的光吸收。模拟结果显示,660 nm的钙钛矿薄膜和40 nm的PCBM薄膜可作为优化的选择,其对应积分电流为24.93 mA/cm²。本文还探究了PbI₂层的加入对钙钛矿吸光层吸收特性的影响,结果显示PbI₂聚集在钙钛矿层靠入射光侧时会导致显著的光学损失,而PbI₂聚集在钙钛矿层靠背电极一侧时,则影响相对较小。     

钙钛矿氧化物异质结的研究进展

在过去几年中,为了研究钙钛矿氧化物异质结的物性和潜在的应用前景,我们进行了许多探索。在本文中,我们总结了对钙钛矿氧化物异质结一些物理性质的理论描述,揭示了La0.9Sr0.1MnO3/SrNb0.01Ti0.99O3异质结中发现的正磁电阻效应和横向光电效应的物理起源。我们提出的理论模型将有助于理解界面对钙钛矿氧化物异质结各种性质的影响。     

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.     

基于平面硅的晶硅异质结太阳电池表面减反膜的优化

目前晶硅异质结太阳电池大多采用刻蚀绒面来减小光学损耗,但该方法工艺繁琐,且重复性和后期镀膜均匀性不佳;同时,绒面增加了载流子的传输路径和复合概率,限制了电池性能的提高.本文利用太阳电池模拟软件OPAL和光学膜系设计软件TFCalc,以平面硅为衬底,设计了一种双层TiO2/SiNx减反膜.考虑到太阳光谱分布和异质结太阳电...     

钙钛矿氧化物异质结的光电特性研究进展

光与物质相互作用可以产生各种光学现象,其中光电效应是非常重要的现象之一.文中集中回顾了文章作者在钙钛矿氧化物异质结的光电效应研究中的进展.在钙钛矿氧化物异质结中,分别观测到了传统的纵向光电效应和反常的横向光电效应,并通过对含时的漂移-扩散方程的自洽求解,从理论上分别揭示了钙钛矿氧化物异质结纵向和横向光电效应的动态过程.文章首先介绍了钙钛矿氧化物异质结纵向光电效应的研究进展,接着概述了钙钛矿氧化物异质结横向光电效应研究的进展.最后对氧化物异质结的纵向和横向光电效应的潜在应用前景进行展望.     

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.     

Device simulation of quasi-two-dimensional perovskite/silicon tandem solar cells towards 30%-efficiency

Perovskite/silicon (Si) tandem solar cells have been recognized as the next-generation photovoltaic technology with efficiency over 30% and low cost. However, the intrinsic instability of traditional three-dimensional (3D) hybrid perovskite seriously hinders the lifetimes of tandem devices. In this work, the quasi-two-dimensional (2D) (BA)₂(MA)_n-1Pb_nI_3n+1 (n=1, 2, 3, 4, 5) (where MA denotes methylammonium and BA represents butylammonium), with senior stability and wider bandgap, are first used as an absorber of semitransparent top perovskite solar cells (PSCs) to construct a four-terminal (4T) tandem devices with a bottom Si-heterojunction cell. The device model is established by Silvaco Atlas based on experimental parameters. Simulation results show that in the optimized tandem device, the top cell (n=4) obtains a power conversion efficiency (PCE) of 17.39% and the Si bottom cell shows a PCE of 11.44%, thus an overall PCE of 28.83%. Furthermore, by introducing a 90-nm lithium fluoride (LiF) anti-reflection layer to reduce the surface reflection loss, the current density (J_sc) of the top cell is enhanced from 15.56 mA/cm² to 17.09 mA/cm², the corresponding PCE reaches 19.05%, and the tandem PCE increases to 30.58%. Simultaneously, in the cases of n=3, 4, and 5, all the tandem PCEs exceed the limiting theoretical efficiency of Si cells. Therefore, the 4T quasi-2D perovskite/Si devices provide a more cost-effective tandem strategy and long-term stability solutions.     

Amorphous/crystalline silicon heterojunction solar cells with black silicon texture

Excellent passivation of black silicon surfaces by thin amorphous silicon layers deposited with plasma enhanced chemical vapor deposition is demonstrated. Minority charge carrier lifetimes of 1.3 milliseconds, enabling an implied open‐circuit voltage of 714 mV, were achieved. The influence of amorphous silicon parasitic epitaxial growth and thickness, as well as of the texture depth is investigated. Furthermore, quantum efficiency gains for wavelengths above 600 nm, as compared to random textured solar cells, are demonstrated in 17.2% efficient amorphous–crystalline silicon heterojunction solar cells with black silicon texture. (© 2014 WILEY‐VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, Weinheim)     

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.     

纳米硅(nc-Si:H )/晶体硅(c-Si)异质结太阳电池的数值模拟分析

运用美国宾州大学发展的AMPS程序模拟分析了n-型纳米硅（n+-nc-Si:H）/p-型晶体硅(p-c-Si)异质结太阳电池的光伏特性.分析表明，界面缺陷态是决定电池性能的关键因素，显著影响电池的开路电压（VOC）和填充因子（FF），而电池的光谱响应或短路电流密度（JSC）对缓冲层的厚度较为敏感.对不同能带补偿（bandgap offset）的情况所进行的模拟分析表明，随着ΔEc的增大，由于界面态所带来的开路电压和填充因子的减小逐渐被消除，当ΔEc达到05eV左右时界面态的影响几乎完全被掩盖.界面层的其他能带结构特征对器件性能的影响还有待进一步研究.最后计算得到了这种电池理想情况下（无界面态、有背面场、正背面反射率分别为0和1）的理论极限效率ηmax=3117% (AM15，100mW/cm2，040—110μm波段).     

非晶/微晶两相硅薄膜电池的计算机模拟

在对不同晶相比硅薄膜的实验研究的基础上，利用有效介质理论估算了这种两相材料的光吸 收系数、迁移率寿命乘积及带隙宽度等参量，计算机模拟了不同结晶比硅薄膜电池的伏安特 性及光谱响应；结果为随着本征层微晶成分的增多，电池的开路电压逐渐减小，短路电流逐 渐增大，本征层的最佳厚度逐渐增大，填充因子有降低的趋势，电池的效率随晶相比的增大 而减小. 电池的光谱响应曲线表明，随晶相比的增大电池的长波响应明显提高. 根据这些模 拟结果，分析讨论了在考虑Lambertian背反射的情况下，非晶/微晶叠层电池的底电池采用 晶相比为40％—50％的两相硅薄膜材料做本征层是最佳选择. 关键词： 两相硅薄膜 太阳能电池 计算机模拟     

锥形二维光子晶体太阳电池数值模拟

采用时域有限差分方法,模拟研究在本征吸收层引入锥形二维光子晶体(2D PC)后,其结构参数变化对单结微晶硅电池各膜层吸收的影响规律.研究表明,2D PC的纵横比(高度与周期之比)对电池本征吸收具有决定性影响.周期小于1μm时,本征吸收随着纵横比的增大先上升后下降,纵横比为1时达到最大值;周期大于1μm时,本征吸收达到最大值的纵横比小于1,且周期越大,实现本征吸收最大化的纵横比越小.当周期为0.5μm,纵横比为1时,锥形2D PC电池的本征吸收达到峰值,短路电流密度为27.8 mA/cm2;与平面结构相比,短路电流密度提升5.8 mA/cm~2,相对增加27%.该研究突破了以往认为绒面陷光效果主要取决于绒面形貌横向特征尺寸的观点,对实验获取最佳的周期或随机绒面陷光结构具有指导意义.