寧波材料所開發(fā)出效率28.2%的基于黑硅結(jié)構(gòu)TOPCon底電池的新型鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽電池
近日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所硅基太陽能及寬禁帶半導(dǎo)體團隊與浙江省能源集團聯(lián)合研發(fā)出認(rèn)證效率為28.2%（VOC = 1.80 V，JSC = 19.2 mA/cm2，F(xiàn)F = 81.8%）的兩端鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽電池（圖1），僅次于德國亥姆霍茲柏林研究中心報道的29.8%和牛津光伏報道的29.5%，為國內(nèi)目前報道的最高值（圖2），同時也是國際上基于隧穿氧化硅鈍化接觸（TOPCon）底電池的鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽電池的最高效率。與基于平板結(jié)構(gòu)或金字塔絨面結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)鈣鈦礦/硅異質(zhì)結(jié)（SHJ）疊層電池不同，該器件采用了與產(chǎn)業(yè)化相兼容的黑硅納米絨面和TOPCon結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并通過表面重構(gòu)技術(shù)同步提升硅底電池的光學(xué)和電學(xué)響應(yīng)；同時，黑硅納米絨面可以提高鈣鈦礦前驅(qū)液和反溶劑的潤濕性，并通過納米限域效應(yīng)誘導(dǎo)鈣鈦礦的垂直生長，從而提高鈣鈦礦的晶體質(zhì)量并促進頂電池中載流子的分離和收集；此外，黑硅納米絨面還可以有效釋放鈣鈦礦薄膜的內(nèi)應(yīng)力，提高疊層器件的長期穩(wěn)定性。該項目得到了浙江省能源集團的大力資助。
目前傳統(tǒng)晶體硅的效率發(fā)展面臨瓶頸，而鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽電池可以有效解決高能光子的熱化損失問題，被認(rèn)為是突破單結(jié)電池理論極限最有效的下一代光伏技術(shù)。其器件效率在短短6年時間內(nèi)從13.7%飛速發(fā)展到29.8%。而如何進一步突破效率30%，提高其穩(wěn)定性，并實現(xiàn)低成本的規(guī)?；苽涫墙酉聛礅}鈦礦/晶體硅疊層太陽電池研究領(lǐng)域的重點。
中科院寧波材料所硅基太陽能及寬禁帶半導(dǎo)體團隊在葉繼春研究員帶領(lǐng)下，于2018年底開始布局研究鈣鈦礦/晶體硅疊層太陽電池，圍繞鈣鈦礦/TOPCon路線開展疊層技術(shù)的系統(tǒng)性研發(fā)。團隊研究人員在電池結(jié)構(gòu)設(shè)計與器件仿真模擬（先進光學(xué)結(jié)構(gòu)制備、載流子選擇性鈍化接觸、離子遷移、選擇性發(fā)射極、薄膜應(yīng)力調(diào)控、電荷隧穿傳輸和孔洞傳輸?shù)龋┖完P(guān)鍵材料與工藝開發(fā)（TCO透明導(dǎo)電薄膜、耐濺射轟擊緩沖層、鈣鈦礦帶隙調(diào)控技術(shù)、缺陷及界面鈍化技術(shù)、隧穿結(jié)技術(shù)、摻雜多晶硅化物薄膜材料及制備等）等方面取得系列成果，其中半透明鈣鈦礦電池認(rèn)證效率達(dá)到19.3%，四端口鈣鈦礦/晶體硅疊層電池效率達(dá)到27.6%，兩端口鈣鈦礦/晶體硅疊層電池認(rèn)證效率達(dá)到28.2%，未封裝鈣鈦礦電池頂電池最大功率點連續(xù)工作3000小時效率保持85%，居行業(yè)先進水平。
圖1 福建計量科學(xué)研究院國家光伏產(chǎn)業(yè)計量測試中心（NPVM）認(rèn)證報告截圖。（NPVM是受Green, Martin A.教授Solar Cell Efficiency Tables系列認(rèn)可的認(rèn)證機構(gòu)之一）
圖2 鈣鈦礦/晶體硅疊層電池效率的進展，藍(lán)色★代表中科院寧波材料所（NIMTE-CAS）
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