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一文盡析鈣鈦礦—晶硅疊層電池關鍵技術:疊層界面工藝

2018-08-20 14:52:19 北極星太陽能光伏網  點擊量: 評論 (0)
鈣鈦礦-晶硅疊層電池(perovskite c-Si tandem solar cell),作為光伏學界第一當紅炸子雞鈣鈦礦電池,和光伏產業(yè)界絕對老大哥晶硅電池互蹭熱點的產物,一旦來電,自然是火花四溢。

鈣鈦礦-晶硅疊層電池(perovskite/c-Si tandem solar cell),作為光伏學界第一當紅炸子雞鈣鈦礦電池,和光伏產業(yè)界絕對老大哥晶硅電池互蹭熱點的產物,一旦來電,自然是火花四溢。賣點太多:用晶硅打底保證靠譜,鈣鈦礦做彩頭性價比高,結合以后更是1+1>2,效率有望過30%,實在是吸睛。鈣鈦礦-晶硅疊層電池在學界熱了很多年,今年終于有消息越界試水了。居然有廠商號稱推出了交鑰匙解決方案。不管靠譜不靠譜,兔子已經按耐不住,跳進來要湊湊熱鬧。今天就來詳盡討論一下兔子認為的鈣鈦礦-晶硅疊層電池最關鍵的技術:疊層界面工藝。純屬拋磚引玉,如有不贊同的,將就這塊磚頭,拍回來就是了。

疊層界面

任何雙端疊層電池的界面,都是要命的所在。(雙端vs四端之爭,兔子留作以后討論。)一般來說,在疊層電池制備的過程中,總是先拿一個做好的電池作為襯底,把另外一個電池長在上面。就是這“長”字,麻煩就大了。

晶格匹配

如果是III-V族電池體系,不管是MOCVD還是MBE,上層的電池都需要和下層的電池晶格匹配,否則就會長歪。為了解決這個問題,要不就要選擇晶格不會失配的材料,要不就要加上一個組分漸變的緩沖層,這樣既增加了成本,還降低了效率。

界面復合層

所幸多晶的鈣鈦礦電池并不存在晶格匹配的問題,但是其他的界面問題也很要命。所謂雙端疊層電池,只是說疊層電池最終引出的電極只有正負兩極,實質上總共還是四端的,因為每一個子電池必然有N和P兩端。只是說作為串聯(lián)的結構,頂電池的下端和底電池的上端在內部是連在一起的,你可以理解為一根導線把它們串在了一起。但顯然作為“單片(monolithic)”制備的疊層電池,導線是不可行的。必須要引入所謂的“復合層(recombination layer)”。

兔子必須要請大家留意,此處的復合不是指子電池內部少數載流子的復合,而是一個子電池的多子和另一個子電池極性相反的多子復合,就像是用導線把他們連起來一樣。用得比較多的是透明導電膜,比如斯坦福研究組去年創(chuàng)紀錄的23.6%效率的工作(2017,Bush,Nature Energy)用的就是ITO,貴一點,吸光稍微多一點,但是性能比較穩(wěn)定。

(2017,Bush,Nature Energy)

也有人從微晶-非晶薄膜找到靈感,用反向的重摻硅做隧穿結層的,比如MIT研究組的工作(2015,Mailoa,APL)。所謂各有各的絕活。

(2015,Mailoa,APL)

最近更有UNSW的學者另辟蹊徑,干脆這層界面層也給省了算了,找到一種材料SnO2,既能作為鈣鈦礦層的電子傳導層,又能作為底層晶硅電池的復合接觸層。錢省了效果還很好。只需要把晶硅電池的發(fā)射極方阻調一調,即可實現(xiàn)完美的整流接觸(2018,Zheng,EES)。

(2018,Zheng,EES)

然而無論如何,制絨的界面才是王道,畢竟鈣鈦礦-晶硅疊層電池的痛點和瓶頸在電流。只有金字塔絨面的陷光效果才好,才能提升電流。更何況,如果晶硅和鈣鈦礦接觸的表面還需要拋光的話,這成本就好說不好聽了,那產業(yè)化前景實在堪憂。道理誰都懂,可惜誰都做不出來。為什么呢?兩大難題:第一是一旦晶硅制絨,表面就變得坑坑洼洼,再往上涂的鈣鈦礦材料,基本上都會掉進金字塔的底部,而金字塔尖則是光禿禿的,這輕則少子復合巨大,重則鈣鈦礦頂電極和晶硅頂部直接接觸,直接就沒鈣鈦礦電池什么事了。第二,即使不會完全掉進坑里,但是只要鈣鈦礦成膜稍有不均勻,就會把鈣鈦礦電池給分流(shunt),嚴重影響開壓和填充因子。這兩大難題,不知道困擾了多少才智之士。

瑞士EPFL的Ballif組今年終于找到了解決的辦法(2018,Sahli,Nature Materials)。訣竅之一是物理沉積+溶液涂層的結合。物理蒸發(fā)的薄膜一定是指哪打哪兒,無論什么表面都貼的嚴嚴實實的,顯然不會有溶液涂層那種受重力作用就會掉到坑里的問題。但是鈣鈦礦里面的有機鹵化物成分又需要溶液旋涂。怎么辦呢?這個研究組先用共蒸發(fā)的辦法把“孔狀”碘化鉛框架鍍到金字塔上,再往上面甩有機鹵化物溶液。這些孔就會像海綿一樣把有機鹵化物均勻的吸到他們應該在的地方。再一燒結,均勻成膜!

(2018,Sahli,Nature Materials)

訣竅之二是用納米晶硅取代ITO做鈣鈦礦-晶硅的界面復合層。此處不得不八卦兩句。當年微晶/非晶硅疊層電池界第一大牛Ballif,不以物喜不以己悲,沒有靜靜的跟著微晶/非晶薄膜電池一起衰敗,而是轉手把一套非晶硅薄膜的訣竅刷到HIT電池上,成為HIT的一方豪強;如今又把這納米晶硅薄膜的訣竅用到了疊層上,直接玩出了25.2%疊層記錄的新高度!這也算是冥冥天意,峰回路轉不由人!為什么納米晶硅復合層這么神奇?

說起來有點反直覺,正是因為它晶粒太小,橫向導電性太差!為什么橫向導電性差反而是好事?因為如果橫向導電性好了,在金字塔織構的情況下,一旦鈣鈦礦成膜不均勻,就有分流shunt的危險,那就沒開壓什么事了,沒填充因子什么事了,也就沒鈣鈦礦子電池什么事了。但是另一方面,納米晶硅薄膜的縱向導電性又很好,因為整個膜厚也就差不多一個晶粒厚度的樣子。這就是納米晶的神奇之處,換成微晶、非晶都不行。

(2018,Sahli,Nature Materials)

兔子把雙端鈣鈦礦-晶硅疊層電池關鍵的界面工藝為大家梳理了一下。離產業(yè)化有多遠?大家仁者見仁智者見智。至少在兔子看來,一些關鍵的技術瓶頸已經有了解決的方案。

至于雙端還是四端還是三端疊層?有機會有興趣的話我們下文再分解。

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責任編輯:蔣桂云

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