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27.6% 钙钛矿/c-Si 串联太阳能电池! TOPCon 结构实现大规模工业生产?

科学新知:2022 Adv. Energy Mater., 27.6% 钙钛矿/c-Si 串联太阳能电池! TOPCon 结构实现大规模工业生产?

  有机-无机金属卤化物钙钛矿在多种应用中显示出巨大的潜力。特别是在光伏 (PV) 器件中,有机-无机金属卤化物钙钛矿可以透过溶液处理获得优异的光电性能。透过变更成分,钙钛矿薄膜的带隙也可以很容易地改变。与 III-V 族高带隙半导体材料相比,钙钛矿薄膜成本低且易于制造,钙钛矿电池成为单结太阳能电池与多结太阳能电池的潜在候选者。在过去 12 年里,钙钛矿太阳能电池的功率转换效率从 3.8% 迅速提高到 25.7%,超过了其热力学极限的 80%。除了单结器件的巨大进步,串联器件同样有着令人印象深刻的成就,其效率明显可能超过 30%。

  目前較有希望克服单结 Shockley-Queisser 极限的解决方案是串联电池结构。澳大利亚国立大学 Klaus Weber、北京大学周欢萍 等人使用具有隧道氧化物钝化接触 (TOPCon) 结构的 c-Si 电池作为串联器件的底部电池,并将经溶液处理的钙钛矿薄膜作为串联器件的顶部电池。c-Si电池采用 n 型硅衬底。与基于 p 型基板的电池相比,基于 n 型基板的电池通常显示出更高的寿命和更少的退化,因此对于高效器件具有吸引力。c-Si电池的特点是具有损坏蚀刻 (但没有纹理) 的顶部表面。研究团队在损伤蚀刻的前表面上共形地制造钙钛矿子电池,以减轻粗糙 c-Si 基板的负面影响,从而防止跨载流子传输层、吸收层及其相关界面的分流路径。此外,研究团队揭示了 TOPCon 子电池电损耗的来源,并展示了与台面结构的后部局部接触,这对于大规模生产是可行的。

钙钛矿/c-Si 串联电池 TOPCon 结构设计 太阳光模拟器
a)单片钙钛矿/c-Si 串联电池的示意图,b-d)分别说明粗糙表面的缓解、反射率管理和 TOPCon 结构设计。e) 在 AM1.5G 太阳光模拟器照光下,串联器件的 IV 曲线,有效面积为 1-cm2

  为了提高串联器件的效率,研究团队分析了串联器件的主要损耗。研究发现,电压损失主要来自钙钛矿。如下图所示,研究团队制造了三个测试结构,并使用光致发光 (PL) 与发光量子产率 (PLQY) 测试系统来评估隐含的 VOC。对于石英/钙钛矿,测得的隐含 VOC 为 1.25 V。这是其带隙 (1.68 eV) 的 ≈430 mV 电压不足,或与 Schockley-Queisser 极限相比有 ≈150 mV 的不足。在这种高带隙混合阳离子/卤化物钙钛矿中,这种大电压不足的原因可能与钙钛矿吸收剂内的卤化物或阳离子偏析和缺陷有关。

PLQY 光致发光与发光量子产率测试系统 Voc-loss 损耗分析 钙钛矿

a) 使用光致发光与发光量子产率测试系统,测试钙钛矿顶部电池测试结构的 PL 光谱。b) 器件模拟 c-Si 底部电池的复合 Voc-loss 损耗分析。

  透过上述的方法研究,实验证实,使用工业生产的具有 TOPCon 结构的底部 c-Si 电池的单片串联器件实现了 27.6% 的效率 (1-cm2)。

c-Si电池测试结构示意图 太阳光模拟器照射 IV曲线 EQE 外部量子效率

c-Si电池测试结构示意图。d)c-Si器件在太阳光模拟器照射下的IV曲线。 e)在太阳光模拟器照射下,串联器件的反向扫描IV曲线。 f)串联电池的反射率和外部量子效率曲线。

本文关键词:钙钛矿、Perovskite、c-Si、Voc损耗、Voc Loss Analysis、光致发光与发光量子产率测试、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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