全钙钛矿、钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池技术解析

近年来，钙钛矿叠层太阳能电池技术发展迅速，电池效率已突破30%，因其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，降低光热损失，从而提升电池转换效率。美能分光光度计是一款用于测量ITO、非晶硅、微晶硅等薄膜材料的透过率、反射率以及吸光度的检测仪器，波长范围为190～2800 nm，搭配全新控制、数据处理软件，可为钙钛矿叠层太阳能电池效率分析提供了有力支持。

 

叠层（串联）太阳能电池的概念

1994年，叠层太阳能电池的概念首次被提出。太阳能光谱可以被分成连续若干部分，用带隙宽度与之匹配的材料可以组成叠层（串联）太阳能电池TSC。

 

为了获得尽可能高的光电转换效率，叠层电池应满足材料晶格匹配、禁带宽度组合合理和顶底子电池电流匹配等基本要求。叠层电池电流密度一般不同，顶底电池的电流失配会使电池性能大受影响。设法获取电池匹配的结构是保证叠层电池具有良好性能的关键。叠层电池的顶部电池采用宽带隙吸收层，以有效地转换短波长光谱，从而将光损失降到最小；底部电池采用窄带隙吸收层，以获取近红外光子，从而最大限度地提高电流密度。

 

当器件被光照射时，宽带隙的顶电池吸收能量高于其带隙的短波长光子，产生高的开路电压（VOC），而窄带隙底电池吸收长波长光子，这可以减少光热损失，提高光电转换效率。

 

 

双结叠层电池分波段利用太阳光谱示意图

 

叠层（串联）太阳能电池的结构

叠层电池可以分为两种结构，一种为两端叠层电池，包括两个顺序制备的子电池和与两者相连的互联层，结构更加简单制作成本相对较低，但顶部电池和底部电池的光学耦合、制备工艺兼容性、互联层光学和电学的平衡等因素会对电池效率产生影响。

 

另一种是四端叠层电池，由两个独立的电池堆叠，通过外电路连接，制备简单，但加倍的金属电极消耗和组件端工艺负责性限制了大规模应用前景。

 

下图为全钙钛矿叠层电池的两种结构：

 

（a）四端（4-T）全钙钛矿叠层太阳能电池；（b）两端（2-T）全钙钛矿叠层太阳能电池

 

 

 

钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池

钙钛矿太阳能电池（PSC）具有光吸收系数高、载流子扩散长度长、可调节的带隙等优点，高达25.2％的单节PCE且易于制造，因此是叠层TSC顶部电池的理想选择。且能够与其他中窄带隙底电池，如晶体硅太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、有机太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池带隙匹配。

 

钙钛矿/异质结叠层太阳能电池结构示意图（左：两端式 右：四端式）

 

 

对宽带隙钙钛矿电池的界面态、非辐射复合和子电池间的光电耦合精准把控，能够提升电池的光电转化效率。理想状态下，是实现顶部电池在300~750nm范围的紫外及可见光谱全吸收、对于更宽范围的长波段光谱无吸收，这就要求钙钛矿吸收体的光学带隙尽量宽（1.67~1.75eV），但是这会导致严重的非辐射复合损失。互联层的光学与电学性能也对整个电池效率产生影响。

 

 

全钙钛矿叠层太阳能电池

全钙钛矿叠层电池由顶部的宽带隙钙钛矿子电池和底部的窄带隙钙钛矿子电池一体化叠加而成，其优势在于两个子电池带隙均可灵活调节，能够最大程度上实现太阳光谱高效利用，且Voc超过了钙钛矿/晶硅叠层电池。但仍有三个因素限制全钙钛矿叠层电池的效率。

 

第一，窄带隙子电池的稳定性受Sn2+的易氧化所影响。

 

第二，全钙钛矿叠层电池互联界面为平面，平面界面的光反射降低了窄带隙子电池的长波光谱利用率。

 

第三，窄带隙子电池沉积过程中存在溶剂降解的风险。

 

全钙钛矿叠层太阳能电池结构示意图

 

 

目前，钙钛矿叠层电池中，钙钛矿/晶硅叠层电池和全钙钛矿叠层电池效率较高，也是近年来大部分钙钛矿电池生产商的主要研究方向，效率从23.5%提升到33.9%。

 

近年钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池效率

 

 

美能分光光度计UVN2800

 

美能分光光度计支持测定从紫外区到近红外区的广范围波长区域的太阳光透过率，为太阳电池的效率分析提供了有力支持。设备采用独特的双光束光学设计，可以完美地校正不同样品基质的吸光度变化，从而可稳定地进行样品的测定，具有测试范围广、精度高以及稳定性好的优点。

 

• 采用双光源双检测器设计，波长范围190-2800nm

 

• 双光栅光学结构、有效降低杂散光

 

积分球直径可达100mm，长期使用不发黄变性、光学性能稳定

 

 

美能分光光度计UVN2800操作演示视频

 

在“双碳”目标的大背景下，高效光伏发电技术作为最有潜力代替传统石化资源的清洁能源技术之一，被国家列为重点支持和优先发展的对象。降低发电成本、提高转换效率一直是光伏发电技术的核心目标。目前含钙钛矿叠层电池的实验效率已经超过了单钙钛矿电池的效率，充分说明叠层结构是实现更高效利用太阳光能源的有效方法。「美能光伏」提供UVN2800分光光度计，提供薄膜材料透过率、反射率以及吸光度数据的准确测量。