全球正致力于提升鈣鈦礦光伏電池的效率,其中疊層太陽能電池(TSCs)因其高效率、低熱損耗和易于集成成為研究熱點。本研究采用美能絨面反射儀RTIS等先進表征手段,系統分析了雙面鈣鈦礦/硅疊層電池的優化路徑,重點探討IBC結構和光柵設計對效率的提升作用,為下一代高效疊層太陽能電池的開發提供了理論和實驗依據。
電池結構與材料選擇
Millennial Solar
頂部鈣鈦礦電池:
- 活性層:Cs?.??MA?.??FA?.?Pb(I?.?Br?.?)?(帶隙1.62 eV)
- 傳輸層:SnO2(ETL)/NiOX(HTL)組合,具有低溫工藝兼容性和高穩定性
- 電極:雙面ITO(30 nm陰極/200 nm陽極)
- 創新設計:IBC結構兼具光柵功能(周期Pg=700 nm,寬度Wg=350 nm)
底部硅異質結電池:
- 接觸層:200 nm Al電極(分別連接n/p區)
- 載流子選擇層:n型aSi(20 nm,摻雜1.5×1019cm-3)和p型aSi(20 nm,摻雜2×1019cm-3)
- 鈍化層:5 nm本征aSi(i-aSi)
- 吸收層:300 μm n型晶體硅(摻雜5×1015cm-3)
- 界面層:1 nm缺陷硅(模擬界面復合)
中間連接層:
電池各層材料的光電特性參數


所設計太陽能電池的(a)頂部電池與(b)底部電池能帶結構示意圖
模擬方法與參數設置
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光學模擬:采用時域有限差分法(FDTD),計算300–1200 nm波長范圍內的吸收特性。載流子輸運與復合:通過漂移-擴散方程模擬,關鍵參數包括:
- 陷阱輔助復合:鈣鈦礦層載流子壽命τ?=τ?=40ns(基于N?=1×1015cm-3和σ??=2.5×10-15cm2計算)。
- 俄歇復合:鈣鈦礦C?=C?=4.4×10-29cm6/s。
- 輻射復合:鈣鈦礦C?=5.3×10-11cm3/s。
反照率反射模擬:考慮不同地面類型(瀝青、混凝土、雪等),通過系數0.1–0.8調整AM1.5G光譜強度。
頂電池減反射層(ARC)優化
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最優厚度點處鈣鈦礦層的透射光譜雙層ARC(LiF/TiO2)在350–800 nm波段透光率更高(96% vs. 93%)。最優厚度:LiF(100 nm)/TiO2(22 nm)。
頂電池背接觸光柵設計
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光電流密度(Jph)隨頂部電池背接觸光柵周期(Pg)及寬度周期比(Wg/Pg)的變化關系
頂部電池的(a)短路電流密度(Jsc)、(b)光電轉換效率(PCE)、(c)開路電壓(Voc)及(d)填充因子(FF)隨背接觸光柵周期(Pg)和寬度周期比(Wg/Pg)變化的彩色映射圖最佳參數:Pg=0.4 μm、Wg/Pg=0.4時,頂電池光電流(Jph)達20.3 mA/cm2。準電流匹配:Pg=0.7 μm、Wg/Pg=0.5時,頂/底電池Jph接近(19.45/19.91 mA/cm2)。
頂電池性能分析
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(a)(Pg, Wg/Pg)參數組的電流密度-電壓(J-V)特性曲線;(b)電化學阻抗譜(EIS)奈奎斯特圖
不同光柵參數組合(Pg, Wg/Pg)下的吸收光譜與外量子效率(EQE)譜;(d)對應參數組的反射與寄生吸收光電流密度損失最優結構(Pg=0.7 μm、Wg/Pg=0.5):
較差結構(Pg=0.2 μm、Wg/Pg=0.6):PCE僅6.23%,FF低至45%。
底電池減反射層(ARC)優化
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(a)雙層(SiO?/TiO?)結構;(b)硅層表面對應的反射光譜
SRV對電學參數的影響曲線雙層ARC(SiO2/TiO2)最優厚度為SiO2=92 nm、TiO2=52 nm,光傳輸率提升至94%。效果:PCE提升至10.81%,Jsc增加9%。
底電池背接觸光柵設計
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填充因子(FF)隨n型非晶硅寬度(nw)及間隙寬度(Gw)變化的彩色映射圖最優參數:nw=400 μm(占周期20%)、Gw=1280 μm(占80%)。效果:PCE達9.94%(Jsc=16.55 mA/cm2,Voc=0.734 V)。對比:nw過大(1600 μm)會降低空穴提取,PCE僅7.14%。
底電池性能分析
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不同反射率下的PCE對比柱狀圖
(a)不同反照率反射條件下的電流密度-電壓(J-V)特性曲線,(b)平均反照率與無反照率條件下的J-V特性曲線對比高反射環境(如雪地80%):PCE達16.59%,較瀝青(10%反射)提升53%。典型暗沙(30%反射):Jsc和PCE較無反射時分別提升43%和46%。
最佳性能
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雙面鈣鈦礦/晶硅疊層電池與文獻報道性能對比頂電池:雙層ARC+光柵(Pg=0.7 μm、Wg/Pg=0.5)組合最優,兼顧高透光、低反射(3.5 mA/cm2損失)和高效電荷收集。底電池:通過IBC幾何優化(Gw最大化)和雙層ARC,在雪地等高反射環境下PCE可達16.59%。總效率:結合頂電池后,總效率突破30%,為平面結構疊層電池的最高水平之一。
美能絨面反射儀
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美能絨面反射儀RTIS通過漫反射激發電池片,然后通過8度角采用光譜儀檢測。RTIS具有定位的機臺和導軌,能夠方便而快速地送入樣品,實現電池片樣品的定位,提高使用人員的工作效率。
- 光譜測試范圍可達:350-1050nm
- 快速、自動任意多點測量
- 每點測試速度約0.1s,檢測時間僅為傳統反射率的1/10
- 精準測量反射率、膜厚等多項重要參數
本研究通過多物理場協同優化,首次實現雙面模式下頂/底電池IBC一體化設計,并系統解決了陷阱復合、材料穩定性等產業化瓶頸。結合美能絨面反射儀RTIS(測試速度0.1s/點)對反射率與膜厚的精準測量,總效率突破30%,為低成本、高效率疊層太陽能電池的實用化提供了突破性解決方案。
原文出處:Back contact optimization of both sub-cells in bifacial perovskite/silicon tandem solar cell
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