Nature Communications | 中國科學(xué)院寧波材料所在鈣鈦礦/TOPCon疊層太陽能電池中間連接層方面取得新進(jìn)展
鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池（PSTSCs）因具備突破單結(jié)硅電池理論效率極限的潛力，已成為極具商業(yè)前景的光伏技術(shù)。當(dāng)前，隧穿氧化層鈍化接觸（TOPCon）技術(shù)已主導(dǎo)晶硅光伏市場(chǎng)，因此，開發(fā)與工業(yè)級(jí)TOPCon底電池兼容的高效疊層技術(shù)具有重要的產(chǎn)業(yè)化意義。
在典型的p-i-n型疊層電池中，自組裝單分子層（SAMs）常被用作中間層上的空穴傳輸材料。然而，由于表面錨定位點(diǎn)（即羥基）密度不足，SAM難以在粗糙的晶硅底電池絨面襯底上實(shí)現(xiàn)致密且均勻的覆蓋?，F(xiàn)有的表面改性手段通常會(huì)增加制造工藝的復(fù)雜性，且容易破壞底電池的鈍化結(jié)構(gòu)。因此，在不增加工藝復(fù)雜度、不破壞底電池性能的前提下，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的SAM層均勻錨定，是進(jìn)一步提升疊層電池性能的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
針對(duì)上述瓶頸，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所高效太陽能電池與寬禁帶半導(dǎo)體團(tuán)隊(duì)在葉繼春研究員的帶領(lǐng)下，基于前期在TOPCon與疊層電池領(lǐng)域的深厚積累（Nat. Energy 2026; Nat. Energy 2025, 10, 737; Nat. Energy 2023, 8, 1250; Joule 2022, 6, 2644; Joule 2026, 10, 102231; Nat. Commun. 2024, 15, 8453; Nat. Commun. 2023, 14, 2166; Energy Environ. Sci. 2021, 14, 6406; Adv. Energy Mater. 2022, 2203006; Small 2023, 1, 2304348; Cell Rep. Phys. Sci. 2021, 2, 1），創(chuàng)新性地開發(fā)了一種原位摻碳多晶硅隧穿復(fù)合層技術(shù)。無需復(fù)雜的表面后處理工藝，有效解決了SAM層在絨面多晶硅基底上的吸附與錨定難題。更重要的是，該多晶硅隧穿層能避免傳統(tǒng)TCO中間層對(duì)磁控濺射的依賴，實(shí)現(xiàn)與當(dāng)前主流TOPCon生產(chǎn)線的高度集成?；谠摷夹g(shù)，團(tuán)隊(duì)在~1 cm2的鈣鈦礦/TOPCon疊層太陽能電池上實(shí)現(xiàn)了33.84%的轉(zhuǎn)換效率，第三方認(rèn)證效率高達(dá)33.50%。這不僅刷新了鈣鈦礦/TOPCon疊層電池的最高效率紀(jì)錄，也創(chuàng)造了基于非透明導(dǎo)電氧化物中間層疊層電池的效率新高，為疊層電池技術(shù)兼容現(xiàn)有大規(guī)模量產(chǎn)線提供了切實(shí)可行的路徑。
在技術(shù)實(shí)現(xiàn)層面，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地開發(fā)了雙層多晶硅隧穿結(jié)構(gòu)，即在較厚的常規(guī)多晶硅層表面沉積約5納米厚的摻碳多晶硅層，該雙層結(jié)構(gòu)有效平衡了表面改性與電學(xué)傳輸性能。研究表明，碳元素的引入顯著提升了多晶硅表面的表面能與羥基密度，增強(qiáng)了親水性。這種高密度的表面羥基為SAM分子提供了更多的活性錨定點(diǎn)，促進(jìn)了自發(fā)二維生長，從而在金字塔絨面的邊緣和尖端均實(shí)現(xiàn)了均勻、連續(xù)的SAM覆蓋。更重要的是，優(yōu)化的SAM覆蓋顯著改善了鈣鈦礦前驅(qū)體溶液的潤濕性，促使鈣鈦礦在絨面基底上加速形核并生長出無針孔、晶粒更大且更致密的薄膜。此外，該策略進(jìn)一步調(diào)節(jié)了SAM表面的能級(jí)對(duì)齊方式，有效促進(jìn)了空穴的提取，并抑制了非輻射復(fù)合損失。
相關(guān)成果以“Carbon-incorporated polysilicon interconnection layer enables robust self-assembled monolayer anchoring for perovskite/TOPCon tandem solar cells”為題在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》（Nature Communications）（DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-72794-x）
寧波材料所博士生杜浩江、博士后李歡，以及臺(tái)州學(xué)院林澤東博士為該論文的共同第一作者；蘇州大學(xué)楊陣海青年特聘教授、正泰新能李子佳博士，寧波材料所應(yīng)智琴、曾俞衡及葉繼春研究員為共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（62474178）、浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2024C01055, 2021C01006）、安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（202423h08050004）、寧波市“科技創(chuàng)新2025”重大專項(xiàng)（2022Z114）、寧波市“科技創(chuàng)新2035”重大專項(xiàng)（2024Z243）、寧波市國際科技合作計(jì)劃（2024H028）以及中國博士后科學(xué)基金（GZB20250140）等項(xiàng)目的資助與支持。
圖1 基于碳摻雜多晶硅隧穿復(fù)合層的鈣鈦礦/TOPCon疊層太陽能電池的性能表現(xiàn)。
??（光電信息材料與器件實(shí)驗(yàn)室 杜浩江）