科技进展

上海微系统所在高效率钙钛矿/硅异质结叠层太阳电池研究方面取得进展

  

太阳能光伏发电是一种取之不尽用之不竭的清洁可再生能源技术,截止2021年全球累积装机量接近1TW,成为解决全球能源危机和极端气候变化的关键技术手段之一。近日,中科院上海微系统所微系统技术重点实验室刘正新研究员团队联合电子科大刘明侦教授团队,开发了转换效率接近29%的钙钛矿/硅异质结SHJ叠层太阳电池,成为迄今为止基于产业化全绒面SHJ太阳电池的最高效率,相关成果于2022819日以“Fully Textured, Production-line Compatible Monolithic Perovskite/silicon Tandem Solar Cells Approaching 29% Efficiency”为题在Advanced Materials 上发表(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202206193)。这是该课题组继发现SHJ太阳电池掺杂非晶硅(a-Si:H)薄膜中反常Staebler-Wronski效应后(Nature Energy 7 (2022) 427–437, 在面向可产业化超高效太阳电池技术攻关中的又一重大技术突破。

目前,单结硅异质结SHJ太阳电池和钙钛矿太阳电池最高转换效率分别为26.5%25.7%。理论模拟计算结果显示,基于高效SHJ太阳电池的钙钛矿叠层太阳电池转换效率有望突破40.0%,是学术界公认的未来可能第一个实现转换效率超过30.0%的低成本商业化太阳电池技术。虽然实验室钙钛矿/SHJ叠层太阳电池转化效率高达31.3%,但基于产业化SHJ全绒面底电池的钙钛矿/SHJ叠层太阳电池的最高认证效率仅为25.2%。如何突破钙钛矿/SHJ叠层太阳电池制造技术限制,特别是全绒面SHJ底电池导致的叠层界面体漏电问题、上下子电池的电流匹配问题、复合结TCO薄膜的光电损失问题以及钙钛矿层的大面积涂敷均匀性问题等成为进一步提高叠层太阳电池转换效率的关键。鉴于此,两个团队联合进行技术攻关,以产业化高效SHJ太阳电池为基础开发了高透光的ITO复合结,通过设计NiOx/2PACz([2-(9H-carbazol-9-yl)乙基]膦酸)作为ITO复合结上的超薄杂化空穴传输层实现界面能级匹配,并以此为支点搭配共蒸发+旋涂两步法策略,在SHJ太阳电池顶部实现高质量钙钛矿层的保形沉积。研究发现,NiOx中间层有助于2PACz分子均匀地自组装到全绒面的表面上,从而避免ITO和钙钛矿顶部电池之间的直接接触,消除传统工艺在全绒面SHJ底电池上的严重体漏电问题。得益于这种巧妙的界面工程策略,在产业化全绒面的钙钛矿/SHJ叠层太阳电池上(1.2cm2)获得了转换效率高达28.84%的第三方认证效率。

该课题的成果是在中国科学院科技支撑碳达峰碳中和战略行动计划的驱动下,充分发挥我所在该领域的技术优势、积极开展合作研究所取得的。该工作得到中科院鸿鹄先导专项XDA17020403)、微系统技术重点实验室基金项目的支持。


 

1 钙钛矿/SHJ叠层太阳电池制备简易示意图


 

2 钙钛矿/SHJ叠层太阳电池基本结构及第三方认证效率