同质结vs异质结？钙钛矿/硅叠层电池中底电池的选取

MT Nano

2019-09-10

第一作者：延玲玲

通讯作者：赵颖、张晓丹

通讯单位：南开大学

核心内容

1. 介绍钙钛矿/硅两端叠层电池中同质结（PERX、TOPCon）和异质结硅底电池的结构特点。

2. 综述钙钛矿/硅同质结和钙钛矿/硅异质结叠层电池的研究进展。

3. 预测钙钛矿/硅同质结和钙钛矿/硅异质结叠层电池将实现的性能参数。

当下，单结晶硅电池实验室效率已突破26.6％，已逼近其理论效率极限；进一步提升效率难度较大。因此，人们将目光投向基于晶硅的叠层太阳电池，即用宽带隙的顶电池与较窄带隙的晶硅电池组成叠层电池，以有效提高太阳电池的效率。有机无机复合钙钛矿太阳电池可谓电池界的新星，短短十年内，其光电转换效率已从最初的3.8%提高到了25.2%。对于钙钛矿太阳电池，可通过调节有机阳离子以及卤素元素的比例等来实现1.5-1.8eV之间的带隙可调。此外，钙钛矿具有高吸收系数和陡峭吸收边，这些特性更使其适用于晶硅叠层电池的顶电池。因此，若将该类太阳电池与晶硅电池制备成叠层太阳电池，其成本增加甚微，但其光电转换效率却有望显著提高。

如图1所示，钙钛矿/硅叠层太阳电池分为机械叠层（四端） 和整体级联叠层太阳电池（两端）。四端是两个独立的子电池，而两端是先制备窄带隙的底电池，在底电池上直接制备宽带隙的顶电池。相较于机械叠层太阳电池而言，整体级联叠层太阳电池存在许多优点：如只需要一个衬底、两端电极，因而材料消耗小、便于组建光伏发电电站。但整体级联叠层电池的设计，需要考虑顶和底电池的工艺兼容性以及顶和底电池间的电流匹配，这也是制约其发展的一个主要原因。

图1. 钙钛矿/晶硅叠层结构示意图。(a) 四端，(b)两端。

1. 钙钛矿/硅两端叠层电池中同质结（PERX、TOPCon）和异质结硅底电池的结构特点。

图2. (a) 铝背场，(b) PERC，(c) PERL，(d)PERT。

图3. TOPCon电池 (a) 结构示意图和 (b) 能带示意图。

图4. 硅异质结的结构示意图。(a)前发射极，(b)后发射极。

2. 钙钛矿/硅两端叠层太阳电池的研究进展

图5. 钙钛矿/硅同质结叠层电池的结构演变。(a) 介孔钙钛矿/铝背场叠层电池，(b) 介孔钙钛矿/PERL叠层电池，(c) 介孔钙钛矿/PERT叠层电池，(d)平面钙钛矿/PERT叠层电池。

图6. 钙钛矿/硅异质结叠层电池的结构演变。(a) n-i-p平面钙钛矿/前发射极平面硅异质结叠层电池，(b) p-i-n钙钛矿/单面制绒后发射极硅异质结叠层电池，(c) n-i-p钙钛矿/单面制绒前发射极硅异质结叠层电池，(d) p-i-n钙钛矿/双面制绒后发射极硅异质结叠层电池。

3. 钙钛矿/硅两端叠层太阳电池性能参数预测

总结

短短4年内，钙钛矿/硅两端叠层太阳电池从最初的13.7%提升到28%，发展迅速。在现有的基础上，如何进一步减少光学和电学损失，提高钙钛矿的稳定性，是钙钛矿/硅两端叠层需要解决的问题。尽管提升钙钛矿/硅两端叠层电池性能面临着巨大的挑战，但钙钛矿/硅两端叠层太阳电池效率突破30%指日可待。

参考文献：

L. L. Yan, C. Han, B. Shi, Y. Zhao, X. D. Zhang, A review on thecrystalline silicon bottom cell for monolithic perovskite/silicon tandem solarcells. Materials Today Nano, 2019, 7, 100045.

https://doi.org/10.1016/j.mtnano.2019.100045