近日，中科院上海微系統(tǒng)所微系統(tǒng)技術重點實驗室劉正新研究員團隊聯(lián)合電子科大劉明偵教授團隊，開發(fā)了轉換效率接近29%的鈣鈦礦/硅異質結SHJ疊層太陽電池，成為迄今為止基于產業(yè)化全絨面SHJ太陽電池的最高效率，相關成果于2022年8月19日以“Fully Textured, Production-line Compatible Monolithic Perovskite/silicon Tandem Solar Cells Approaching 29% Efficiency”為題在Advanced Materials 上發(fā)表(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202206193)。
這是該課題組繼發(fā)現(xiàn)SHJ太陽電池摻雜非晶硅(a-Si:H)薄膜中反常Staebler-Wronski效應后(Nature Energy 7 (2022) 427–437), 在面向可產業(yè)化超高效太陽電池技術攻關中的又一重大技術突破。
目前，單結硅異質結SHJ太陽電池和鈣鈦礦太陽電池最高轉換效率分別為26.5%和25.7%。理論模擬計算結果顯示，基于高效SHJ太陽電池的鈣鈦礦疊層太陽電池轉換效率有望突破40.0%，是學術界公認的未來可能第一個實現(xiàn)轉換效率超過30.0%的低成本商業(yè)化太陽電池技術。
雖然實驗室鈣鈦礦/SHJ疊層太陽電池轉化效率高達31.3%，但基于產業(yè)化SHJ全絨面底電池的鈣鈦礦/SHJ疊層太陽電池的最高認證效率僅為25.2%。
如何突破鈣鈦礦/SHJ疊層太陽電池制造技術限制，特別是全絨面SHJ底電池導致的疊層界面體漏電問題、上下子電池的電流匹配問題、復合結TCO薄膜的光電損失問題以及鈣鈦礦層的大面積涂敷均勻性問題等成為進一步提高疊層太陽電池轉換效率的關鍵。
鑒于此，兩個團隊聯(lián)合進行技術攻關，以產業(yè)化高效SHJ太陽電池為基礎開發(fā)了高透光的ITO復合結，通過設計NiOx/2PACz([2-(9H-carbazol-9-yl)乙基]膦酸)作為ITO復合結上的超薄雜化空穴傳輸層實現(xiàn)界面能級匹配，并以此為支點搭配共蒸發(fā)+旋涂兩步法策略，在SHJ太陽電池頂部實現(xiàn)高質量鈣鈦礦層的保形沉積。
研究發(fā)現(xiàn)，NiOx中間層有助于2PACz分子均勻地自組裝到全絨面的表面上，從而避免ITO和鈣鈦礦頂部電池之間的直接接觸，消除傳統(tǒng)工藝在全絨面SHJ底電池上的嚴重體漏電問題。得益于這種巧妙的界面工程策略，在產業(yè)化全絨面的鈣鈦礦/SHJ疊層太陽電池上(1.2cm2)獲得了轉換效率高達28.84%的第三方認證效率。
該課題的成果是在“中國科學院科技支撐碳達峰碳中和戰(zhàn)略行動計劃”的驅動下，充分發(fā)揮我所在該領域的技術優(yōu)勢、積極開展合作研究所取得的。該工作得到中科院“鴻鵠先導專項”(XDA17020403)、微系統(tǒng)技術重點實驗室基金項目的支持。
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