双面绒面结构的钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池效率研究

 

 

钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池具有丰富的材料堆叠，每一种材料都有着独特的功能性，了解其中的光电性质，对于提升串联能量转换效率具有重大意义，也是高效的光收集和光吸收层技术发展和降低成本的关键。美能QE量子效率测试仪，兼容所有类型的光伏电池测量需求，光谱范围可达300-2500nm，全面锁定电池片的优点和不足，帮助用户优化结构设计、材料配置和工艺参数，提升电池转换效率。

 

 

单片钙钛矿/晶硅双端(2T)叠层太阳能电池，其中宽带隙钙钛矿作为顶部电池吸收材料，晶硅作为底部电池通过认证的PCE高达31.3%，已经超过了单结硅太阳能电池的PCE记录。目前，大多数高效的单片钙钛矿/晶硅叠层串联是基于硅底电池(≈250-300µm厚)，正面平面抛光或亚微绒面表面，以便与溶液加工的钙钛矿薄膜兼容。

 

（左）钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池结构示意图（右）钙钛矿硅串联太阳能电池顶部和背面横截面SEM图像

 

 

对钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池进行详细的光学分析，光学损耗主要来源于反射和寄生吸收损失。下图显示了钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池中两个子电池的测量总吸光度、反射率和EQE。

 

钙钛矿/硅串联太阳能电池中两个子电池的测量总吸光度（反射率和EQE）

 

 

如图所示，钙钛矿顶部电池和晶硅底部电池分别产生了18.9mA·cm-2和18.5mA·cm-2的电流密度。两个主要的电流损耗来自于正面反射（总吸光度曲线上方的区域）和寄生吸收（总吸光度曲线和EQE曲线之间的区域），分别达到了4.8mA·cm-2和 3.3mA·cm-2。为了进一步提升叠层电池的电流密度，最直接的方式是减少前表面的反射。反射可以通过减反射层、梯度折射率和绒面陷光结构来减少。

 

借鉴晶硅太阳能电池的技术路线，钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池顶部电池从平面结构走向金字塔绒面结构的形式，可以减少反射和增加光捕获，以此来提升串联太阳能电池的能量转换效率。

 

 

一种双面绒面结构、生产线兼容的钙钛矿/硅串联太阳能电池

通过在射频(RF)溅射的NiOx层上应用超薄层2PACz，以获得NiOx /2PACz的混合空穴传输层（HTL）。溅射致密NiOx层可以避免钙钛矿和高导电性TCO层之间的分流路径。同时，由于2PACz与NiOx之间具有较强的化学键合作用， 2PACz可以在致密的NiOx层上以均匀的保形方式形成，同时NiOx的表面缺陷也被钝化。基于所设计的NiOx /2PACz混合HTL，制造基于生产线兼容异质结底电池的单片2T钙钛矿/晶硅异质结叠层太阳能电池。TCO层位于双面纹理的n型晶硅硅片上，具有随机分布的金字塔形貌。（左）双面绒面结构的钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池结构示意图、（右）叠层电池中间减反层的SEM图像

 

下图显示了该技术制成的钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池中两个子电池的测量总吸光度、反射率和EQE。钙钛矿顶部电池和晶硅底部电池的电流密度分别提升至19.75mA·cm-2和20.1mA·cm-2。

 

双面绒面结构钙钛矿/硅串联太阳能电池中两个子电池的测量总吸光度（反射率和EQE）

该新技术的发现，也表明通过优化表面形貌，可以最大程度的减少前表面的反射和光逃逸，从而增强光俘获能力，提升PCE。

绒面结构的光学陷光原理

当光线入射到材料表面时，都会发生反射、折射和透射的现象。在光滑表面，反射光和入射光在同一平面上，反射角和入射角相同。当表面粗糙时，光在材料表面的相互作用会发生改变。相邻的表面方向变化造成了最终反射角与入射角不同。

光线在光滑表面（左）和粗糙表面（右）上的反射、折射和透射原理图

当平行光线落在光滑表面时，反射角与入射角相同，这种反射现象被称为镜面反射。此时，通过将探测器置于与入射角相同的角度来测量镜面反射率，来数据化展示反射现象。当平行光线落在粗糙表面时，会出现随机方向的反射，这种反射称为漫反射。
 

平行光线在光滑表面（左）和粗糙表面（右）上的反射原理图

 

 

表面粗糙化不仅使反射角度发生了变化，还会影响折射角度，因此光在吸收材料中的传播距离增长。表面粗糙化还有助于调整入射角，并达到全内反射的条件，使吸收材料的光程增长。

 

对于太阳能电池来讲，总反射率为镜面反射加漫反射。为了测量这一反射率，通常采用积分球测量，通过收集各个方向的光来积分量化反射率。

 

 

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本文详细介绍了通过在钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的正表面形成绒面结构，以减少光反射，进一步提高了电池的能量转换效率。美能MNPVQE-300量子效率测试仪专为开发性能优异的功能层光电材料提供数据化指导意见，助力于将太阳能电池的光谱能量利用最大化。

 

 

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