钙钛矿/晶硅叠层太阳电池关键材料与技术研究进展

摘要

太阳电池要成为常规能源需不断提高光电转换效率、降低电池成本.叠层太阳电池采用不同禁带宽度的材料吸收太阳光,可减少高于带隙的高能量太阳光的热化损失,以及低于带隙的低能量太阳光不能被吸收的损失,提高电池光电转换效率.近几年,钙钛矿/晶硅叠层太阳电池因具有带隙匹配、光电转换效率高、工艺简单等特性,成为新兴的研究热点.经过近五年的发展,钙钛矿/晶硅叠层太阳电池的光电转换效率已被快速提升至28％.要实现高效的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池,关键材料与结构的发展必不可少.钙钛矿/晶硅叠层电池主要包括四端和两端结构.其中两端叠层电池,因仅需要一个透明电极,有利于减少寄生吸收、降低成本,成为主流钙钛矿/晶硅叠层电池结构.除了结构改进外,开发高质量的关键材料对高效叠层电池也十分重要.首先,钙钛矿顶电池的金属电极需要替换成透明电极,使得透过顶电池的太阳光能被底电池吸收.目前主流的体系为透明导电氧化物.其次,钙钛矿顶电池的理想带隙为1.7～1.8 eV,因此需要开发高质量的宽带隙钙钛矿电池,以实现开路电压的增益.最后,两端叠层电池的中间界面层起复合载流子和调控光传输的双重作用,需要探寻具有优异光电特性的界面层材料.目前主流的中间界面层体系包括氧化铟锡、掺杂纳米硅以及含纳米硅的氧化硅薄膜等.虽然通过关键材料和结构的发展,叠层电池光电转换效率已经达到28％,但距43％的极限效率还有一定的差距,需进一步提高叠层电池的短路电流密度、开路电压等光伏特性参数.为提高叠层电池的短路电流密度,需降低载流子传输层、透明电极、中间界面层的寄生吸收损失,同时通过绒面结构、减反层、折射率匹配的界面层等光管理手段降低界面的反射损失.提高叠层电池开路电压的关键是提高宽带隙钙钛矿电池的开路电压.通过上述光电管理协同作用,叠层电池光电转换效率有望突破30％.本文以钙钛矿/晶硅叠层太阳电池性能发展为主线,首先简要介绍了叠层电池的结构及光电性能发展历史;然后介绍叠层电池的关键材料,重点包括透明电极、中间界面层、宽带隙钙钛矿电池;在此基础上,分析叠层电池光电转换效率制约因素及提升途径;最后对叠层电池的高效化、大面积、稳定性的未来发展进行了展望.