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《Nature Nanotechnology》: 高效鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池!

鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池,提供了克服傳統硅太陽能電池的功率轉換效率限制的可能性。為了提高光學性能,人們已經提出了各種結構串聯器件,但優化表面結構晶圓上的薄膜生長,仍然是一個挑戰。

在此,來自德國柏林工業大學的Steve Albrecht &柏林理工學院的Christiane Becker等研究者,提出鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池具有周期性納米紋理,提供各種優點,而不影響溶液處理鈣鈦礦層的材料質量。相關論文以題為“Nano-optical designs for high-efficiency monolithic perovskite–silicon tandem solar cells”發表在Nature Nanotechnology上。

論文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41565-022-01228-8

最近,單片雙端鈣鈦礦硅串聯太陽能電池(PSTSCs)實現了超過31%的功率轉換效率(PCEs),從而克服了傳統晶體硅單結太陽能電池的物理限制。如此高的PCEs是通過不斷改進PSTSCs的光學和電子性能而達到的。這些改進包括,除其他外,切換電池極性以增強頂部接觸傳輸和微調各層以提高光學性能。此外,各種研究通過優化接觸層、使用添加劑和調整鈣鈦礦組成或沉積來改善電子性能。數值研究強調了,通過引入高PCEs的紋理設備界面,來充分的光管理的重要性。

對于硅太陽能電池,幾微米大小的氫氧化鉀蝕刻隨機金字塔結構,通常用于光管理。然而,如果不進一步適應溶液處理的鈣鈦礦吸收劑,它們是不兼容的,這導致迄今為止報道的鈣鈦礦單結太陽能電池最高的PCEs。近年來,人們研究了在PSTSCs中實現光管理紋理的不同方法,要么采用鈣鈦礦沉積技術,但保留金字塔結構不變,要么采用鈣鈦礦溶液處理的結構。這些研究證明了PSTSCs在光學方面的顯著改善,并對織構鈣鈦礦頂部細胞的形貌和光電特性提供了深入的了解。然而,開發一種合適的織構,仍然是一個主要挑戰,它能夠平衡有織構的PSTSCs與溶液處理的鈣鈦礦頂部電池之間的電子和光學性能之間的持久權衡。

在最近的研究中,研究者已經介紹了具有亞微米特征尺寸的溫和正弦納米紋理作為PSTSCs的有希望的候選材料:光學模擬表明,與平面參考串聯太陽能電池相比,PCE可以大幅增強。研究者進一步通過實驗證明,這種納米結構在溶液處理鈣鈦礦和硅單結太陽能電池中提供了一種可行的光管理方法,而不影響各自吸收體的光電質量。

在此,研究者展示了具有溫和正弦納米織構的PSTSCs,它連接了構建硅表面的優勢,同時保留了溶液處理鈣鈦礦的材料質量。研究表明,與平面織構相比,納米織構大幅降低了反射損失,并通過優良的薄膜形成特性顯著提高了制造成品率,并將開路電壓提高了15 mV。為了應對寄生吸收損失的挑戰,研究者進一步在硅底電池的背面實現了帶有介質緩沖層(RDBL)的反射器。結合這兩種方法,在硅底電池的前端采用溫和的納米紋理,在硅底電池的后部采用帶有介質緩沖層的反射器,研究者演示了一個獨立認證的PCE為29.80%的單片PSTSC。

在這項研究中,研究者將溫和的亞微米周期納米紋理和改進的背反射設計集成到整體PSTSCs中。納米結構使溶液處理的鈣鈦礦頂部電池的產率,從平面的50%左右提高到納米結構的硅底部電池的約95%。研究者進一步觀察到反射損失的減少約為0.5 mA cm?2電流密度當量。結果,在鈣鈦礦和硅亞電池中觀察到高達40.0 mA cm?2的組合短路電流密度,這是文獻中報道的雙端PSTSCs的最高值之一。靈敏度分析進一步表明,納米織構在偏離最佳納米晶硅氧化層厚度時大幅提高了性能魯棒性,這是串聯技術工業化和大面積加工的一個重要方面。改善PSTSC性能的主要驅動因素是開路電壓增加了約15 mV,根據研究者的亞電池選擇性EL表征,這完全源于鈣鈦礦頂部電池性能的改善。除了硅底電池正面的納米紋理外,研究者還在電池背面進一步實現了RDBL。

該設計通過減少寄生吸收損失,進一步提高了硅底電池中的電流密度約0.3 mA cm?2。通過在一個PSTSC中結合納米紋理和RDBL,研究者獲得了29.80%的認證PCE。這些結果,為在不久的將來,在高效鈣鈦礦太陽能電池和其他金屬鹵化物鈣鈦礦光電器件中廣泛應用納米光學設計,鋪平了道路。

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