同质结vs异质结?钙钛矿/硅叠层电池中底电池的选取
MT Nano 纳米人 2019-09-10

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第一作者:延玲玲

通讯作者:赵颖、张晓丹

通讯单位:南开大学


核心内容

1. 介绍钙钛矿/硅两端叠层电池中同质结(PERX、TOPCon)和异质结硅底电池的结构特点。

2. 综述钙钛矿/硅同质结和钙钛矿/硅异质结叠层电池的研究进展。

3. 预测钙钛矿/硅同质结和钙钛矿/硅异质结叠层电池将实现的性能参数。



当下,单结晶硅电池实验室效率已突破26.6%,已逼近其理论效率极限;进一步提升效率难度较大。因此,人们将目光投向基于晶硅的叠层太阳电池,即用宽带隙的顶电池与较窄带隙的晶硅电池组成叠层电池,以有效提高太阳电池的效率。有机无机复合钙钛矿太阳电池可谓电池界的新星,短短十年内,其光电转换效率已从最初的3.8%提高到了25.2%。对于钙钛矿太阳电池,可通过调节有机阳离子以及卤素元素的比例等来实现1.5-1.8eV之间的带隙可调。此外,钙钛矿具有高吸收系数和陡峭吸收边,这些特性更使其适用于晶硅叠层电池的顶电池。因此,若将该类太阳电池与晶硅电池制备成叠层太阳电池,其成本增加甚微,但其光电转换效率却有望显著提高。


如图1所示,钙钛矿/硅叠层太阳电池分为机械叠层(四端) 和整体级联叠层太阳电池(两端)。四端是两个独立的子电池,而两端是先制备窄带隙的底电池,在底电池上直接制备宽带隙的顶电池。相较于机械叠层太阳电池而言,整体级联叠层太阳电池存在许多优点:如只需要一个衬底、两端电极,因而材料消耗小、便于组建光伏发电电站。但整体级联叠层电池的设计,需要考虑顶和底电池的工艺兼容性以及顶和底电池间的电流匹配,这也是制约其发展的一个主要原因。


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图1. 钙钛矿/晶硅叠层结构示意图。(a) 四端,(b)两端。



1. 钙钛矿/硅两端叠层电池中同质结(PERX、TOPCon)和异质结硅底电池的结构特点。


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图2. (a) 铝背场,(b) PERC,(c) PERL,(d)PERT。


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图3. TOPCon电池 (a) 结构示意图和 (b) 能带示意图。


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图4. 硅异质结的结构示意图。(a)前发射极,(b)后发射极。

 

2. 钙钛矿/硅两端叠层太阳电池的研究进展


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图5. 钙钛矿/硅同质结叠层电池的结构演变。(a) 介孔钙钛矿/铝背场叠层电池,(b) 介孔钙钛矿/PERL叠层电池,(c) 介孔钙钛矿/PERT叠层电池,(d)平面钙钛矿/PERT叠层电池。


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图6. 钙钛矿/硅异质结叠层电池的结构演变。(a) n-i-p平面钙钛矿/前发射极平面硅异质结叠层电池,(b) p-i-n钙钛矿/单面制绒后发射极硅异质结叠层电池,(c) n-i-p钙钛矿/单面制绒前发射极硅异质结叠层电池,(d) p-i-n钙钛矿/双面制绒后发射极硅异质结叠层电池。

 

3. 钙钛矿/硅两端叠层太阳电池性能参数预测


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总结

短短4年内,钙钛矿/硅两端叠层太阳电池从最初的13.7%提升到28%,发展迅速。在现有的基础上,如何进一步减少光学和电学损失,提高钙钛矿的稳定性,是钙钛矿/硅两端叠层需要解决的问题。尽管提升钙钛矿/硅两端叠层电池性能面临着巨大的挑战,但钙钛矿/硅两端叠层太阳电池效率突破30%指日可待。


参考文献:

L. L. Yan, C. Han, B. Shi, Y. Zhao, X. D. Zhang, A review on thecrystalline silicon bottom cell for monolithic perovskite/silicon tandem solarcells. Materials Today Nano, 2019, 7, 100045.

https://doi.org/10.1016/j.mtnano.2019.100045

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