寧波材料所鈣硅疊層最新Nature Energy

一、 【導讀】?

疊層太陽能電池（TSCs）由工業成熟的結晶硅（c-Si）底電池和鈣鈦礦太陽能電池組成，這種結構有潛力實現超出單結太陽能電池Shockley-Queisser極限的超高效率（隆基最新鈣硅疊層效率NREL認證：33.9%），同時仍然具有成本優勢。疊層效率的提高離不開對頂部鈣鈦礦電池的研究，其中包括鈣鈦礦組成/厚度的調節，引入添加劑或額外的鈍化層，以及在紋理c-Si襯底上開發適當的工藝等。然而提高TSCs效率也需要關注功能層，如連接頂部和底部子電池的電接觸的復合層（RL）。高效的RL應當具有優異的光學特性及高紅外透明度，以確保底部硅電池具有足夠的光吸收及良好的電性能，且可以從頂部和底部子電池中提取和復合多余載流子。目前應用于高效TSCs的中間材料包括氧化物透明導電層（TCOs），如氧化銦錫（ITO）、氧化銦鋅（IZO）和摻鋁氧化鋅等。此外，基于nc-Si:H(p+)/nc-Si:H(n+)的隧道復合層（TRL）也被廣泛應用于制備高效的鈣鈦礦/c-Si TSCs。然而，這些設計存在一定局限性，因為這些復合層可能在薄膜沉積過程中造成損傷，或者限制頂部鈣鈦礦電池制備工藝（低溫制備）。

二、【成果掠影】

近日，寧波材料所葉繼春教授聯合蘇州大學李孝峰教授發表了相關論文，展示了利用由硼和磷摻雜的多晶硅疊層組成的隧道復合層鈍化鈣硅疊層太陽能電池，更有利于載流子傳輸及抽取。該太陽能疊層電池實現了28.76%的認證效率，500小時的MPP追蹤仍保留85%的效率。第一作者Jingming Zheng和Zhiqin Ying，通訊作者為葉繼春教授及李孝峰教授。相關文章以“Polycrystalline silicon tunnelling recombination layers for high-efficiency perovskite/tunnel oxide passivating contact tandem solar cells”發表在Nature Energy上。

三、【核心創新點】

1.報導了一種利用硼和磷摻雜的多晶硅（多晶硅）疊層組成的隧道復合層鈍化鈣/硅疊層

2.提高了對載流子傳輸及隧道機制的認知

?四、【數據概覽】

圖1.? 微觀和光伏性能。a.疊層結構示意圖。b.TEM 圖及EDS圖譜。c.以IZO RL或poly-Si TRL 制備的perovskite/TOPCon TSCs的J-V曲線。d.PCE和VOC的統計分布圖。e.頂電池和底電池的EQE圖譜。f.認證的J-V曲線，有效面積0.1321cm²。g.長期穩定性測試（濕度=40-70%, 溫度=20-35 °C）。 ?Springer Nature Limited

圖2.? 特征及性能。a.通過ECV測出的測量的多晶硅(p+)/多晶硅 (n+)/SiOx/n-Si結構的活化和摻雜劑硼和磷濃度分布。b.通過SIMS測出的測量的多晶硅(p+)/多晶硅(n+)/SiOx/n-Si結構的活化和摻雜劑硼和磷濃度分布。 c.能級結構圖。d.不同樣品的iVoc隨光照強度的曲線。e.暗態J-V曲線。 f. TOPCon和TJ-TOPConSCs的J-V曲線。? Springer Nature Limited

圖3.? Meo-2PACz的吸收計算和特性。a.MeO-2PACz吸附IZO（111）和SiO2（111）基多晶硅基板的局部電荷密度分布。 b.對應的COHP曲線。c. IZO/MEO-2PACz和poly-Si (p+)/MEO-2PACz的FTIR吸收圖譜。d. IZO，poly-si (p+)，IZO/MEO-2PACz和poly-Si (p+)/MEO-2PACz的XPS的C 1s圖譜。 ? Springer Nature Limited

圖4.? 樣品在IZO和poly-si(p+)上的電學性能。a.三維KPFM圖片。b. UPS圖譜。c.穩態熒光圖譜。d.瞬態熒光光譜。e. PSK/MEO-2PACz/IZO的瞬態吸收光譜。f. PSK/MEO-2PACz/poly-Si(p+)的瞬態吸收光譜。g. PSK/MEO-2PACz/IZO在不同延遲時間下的瞬態吸收光譜。h. PSK/MEO-2PACz/ poly-Si(p+)在不同延遲時間下的瞬態吸收光譜。i.歸一化的衰減動力學曲線。? Springer Nature Limited

圖5. 載流子傳輸機制。a.光平衡態下的能帶圖。b. SC、MPP和OC條件下器件內的空穴和電子電流密度分布。c.摻雜濃度為(N_d) = 2 ×?10¹⁹ cm^-3 MPP下多晶硅(p+)和多晶硅(n+)區域內的Jh和Je分布、復合/BBT率以及相應的能量圖。d.摻雜濃度為(Nd) = 2 ×?10²⁰ cm^-3 MPP下多晶硅 (p+) 和多晶硅 (n+) 區域內的Jh和Je分布, 復合/BBT率以及相應的能量圖。e. N_d隨太陽能電池器件參數的變化圖譜。 ? Springer Nature Limited

五、【成果啟示】

本文作者展示了使用聚晶硅（poly-Si）再結合層（TRL）作為構建鈣鈦礦/TOPCon TSCs。通過抑制雜質的相互擴散和補償作用，使得poly-Si(p+)/poly-Si(n+)界面處具有尖銳雜質邊界的高摻雜濃度，從而形成了高質量的隧道結（TJ）。同時作者對poly-Si TRL的鈣鈦礦/TOPCon TSCs的載流子傳輸/隧道機制進行了全面的理論分析，揭示了通過BBD進行載流子傳輸對于實現高填充因子（FF）和效率的重要性。該項工作有望加速鈣鈦礦/TOPCon TSCs的工業化進程，使得光伏產業向開發更高效、更具成本效益的大規模能源生產技術邁出重要一步。

原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41560-023-01382-w

本文由搬磚仔兒供稿