近年來(lái)，鈣鈦礦/晶硅疊層太陽(yáng)電池具有超過(guò)單結(jié)電池Shockley-Queisser理論極限的超高效率和成本優(yōu)勢(shì)，而成為光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。通過(guò)近十年的發(fā)展，鈣鈦礦/晶硅疊層太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已從最初的13.7%提升至目前的33.9%。然而，疊層器件效率的進(jìn)一步提升，需要對(duì)鈣鈦礦頂電池、中間復(fù)合層以及晶硅底電池進(jìn)行更高效的優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前，鈣鈦礦/晶硅疊層太陽(yáng)能電池通常采用透明導(dǎo)電金屬氧化物薄膜（ITO）作為中間復(fù)合層，但I(xiàn)TO在制備過(guò)程中存在濺射損傷等問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)高效的中間復(fù)合層，對(duì)提升鈣鈦礦/晶硅疊層太陽(yáng)能電池的效率，加速產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程頗為重要。
近期，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員葉繼春帶領(lǐng)的硅基太陽(yáng)能及寬禁帶半導(dǎo)體科研團(tuán)隊(duì)，在前期關(guān)于晶硅、鈣鈦礦和疊層電池研究的基礎(chǔ)上，在鈣鈦礦/晶硅疊層太陽(yáng)電池的中間層設(shè)計(jì)和制備方面取得了重要進(jìn)展。
該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將具有隧穿特性的p型多晶硅/n型多晶硅結(jié)構(gòu)引入到疊層電池，用以取代傳統(tǒng)ITO中間層，制備出效率高達(dá)29.22%的鈣鈦礦/TOPCon疊層電池。這種疊層器件表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性（圖1）。相較于傳統(tǒng)的ITO中間復(fù)合層，這種新型隧穿復(fù)合層具有如下優(yōu)勢(shì)。第一、通過(guò)有效抑制p型多晶硅中硼和/n型多晶硅中磷摻雜劑的相互擴(kuò)散和補(bǔ)償，新型隧穿結(jié)的TOPCon結(jié)構(gòu)展示出優(yōu)異的鈍化和接觸性能（圖2）。此外，這種新型隧穿結(jié)的TOPCon電池與傳統(tǒng)TOPCon電池相比，其開(kāi)路電壓提升了8mV，表明增加一層p型多晶硅可以保持TOPCon電池的高性能。第二、對(duì)于鈣鈦礦頂電池，通過(guò)第一性原理計(jì)算、紅外和XPS等測(cè)試證實(shí)鈣鈦礦頂電池的MeO-2PACz空穴傳輸層更易吸附在p型多晶硅上（圖3），有助于對(duì)頂電池載流子的提取。第三、UPS等測(cè)試證實(shí)p型多晶硅具有比傳統(tǒng)ITO更高的功函數(shù)，可進(jìn)一步增強(qiáng)載流子傳輸和提取能力（圖4）。
此外，通過(guò)詳細(xì)的有限元仿真，科研人員對(duì)這種隧穿疊層電池的載流子傳輸和復(fù)合機(jī)制，進(jìn)行了全面剖析（圖5）。研究表明，這種隧穿復(fù)合層以陷阱輔助復(fù)合隧穿和帶帶隧穿為主。當(dāng)多晶硅的摻雜濃度較低時(shí)（＜4×1019 cm-3），p型多晶硅的價(jià)帶和n型多晶硅的導(dǎo)帶不會(huì)發(fā)生交疊，因而不會(huì)觸發(fā)帶帶隧穿，此時(shí)陷阱輔助復(fù)合隧穿占主導(dǎo)。這種情況下，較高的缺陷濃度有助于陷阱輔助復(fù)合隧穿效應(yīng)，從而提升疊層電池性能。當(dāng)多晶硅的摻雜濃度較高時(shí)（＞4×1019 cm-3），p型多晶硅的價(jià)帶和n型多晶硅的導(dǎo)帶發(fā)生交疊，觸發(fā)帶帶隧穿，此時(shí)帶帶隧穿占主導(dǎo)。相比于陷阱輔助復(fù)合隧穿，帶帶隧穿更利于獲得更高的填充因子和效率。因此，如何通過(guò)摻雜控制中間層的隧穿和復(fù)合效率至關(guān)重要。上述關(guān)于中間層的設(shè)計(jì)及相關(guān)機(jī)理研究，為鈣鈦礦/晶硅疊層太陽(yáng)能電池的性能提升提供了新途徑。這一設(shè)計(jì)思路同樣適用于以異質(zhì)結(jié)作為底電池的鈣鈦礦疊層電池。
相關(guān)研究成果以Polycrystalline silicon tunnelling recombination layers for high-efficiency perovskite/tunnel oxide passivating contact tandem solar cells為題，發(fā)表在《自然-能源》（Nature Energy）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江能源集團(tuán)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、寧波市“科技創(chuàng)新2025”重大專(zhuān)項(xiàng)、浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、遼寧省“揭榜掛帥”科技攻關(guān)項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等的資助。該研究由寧波材料所和蘇州大學(xué)合作完成。北京大學(xué)深圳研究生院的科研人員參與研究。
