Solar RRL:全溶液法导向制备硅/钙钛矿二电极叠层太阳能电池

近年来杂化钙钛矿材料在光伏领域的应用受到了各界的广泛关注。杂化钙钛矿是一类具有钙钛矿型晶体结构的材料,一般化学通式为ABX3。用于光伏器件的钙钛矿材料A位可以是甲胺或甲脒离子,B位一般为二价的铅离子或锡离子,而X位一般为卤素离子。目前,实验室制备的单节钙钛矿太阳能效率已经接近晶体硅电池,而其原材料成本及生产工艺条件都较晶硅、其它商业化的薄膜电池等有优势,因此,研究人员一直在努力推进钙钛矿太阳能电池的产业化。关于钙钛矿太阳能电池的诸多科研热点包括电池的稳定性研究、多晶薄膜的大面积生长工艺,以及钙钛矿材料与其它成熟光伏材料的结合等等。其中,一个重要而有趣的研究课题,就是钙钛矿材料与晶硅材料结合制备叠层器件的研究。一方面,叠层器件可以利用不同带隙的吸收层对入射光实现多级、充分的利用,从而突破单节光伏器件的效率极限,达到更高的峰值效率。另一方面,单晶硅的带隙在1.1 eV上下,而钙钛矿材料可以通过调节元素组成配比,实现带隙可控调节,这为硅材料与钙钛矿材料在组成叠层器件时寻找最优带隙匹配组合提供了契机。

在晶硅/钙钛矿叠层器件的构建方式上一般有四电极和二电极两种。其中,四电极中硅电池和钙钛矿电池实际是上下两个可以独立运行的电池,上下电池之间通过机械堆叠构成一个整体,不存在电流匹配问题,但是界面和窗口层的增多也增加了光损失、限制了四电极叠层的最优效率,也大幅度提高了器件成本。相较而言,二电极中钙钛矿吸收层是通过复合层直接生长在硅电池基底上的,在光学结构上更加优化,可达到的理论效率也更高。但是前后节电池实际上是“串联”关系,因此子电池之间需要达到“电流匹配”,这对叠层器件中的光能分布管理也提出了更高的要求。二电极硅/钙钛矿叠层器件的结构可以简单概括为下电极/硅/复合层/钙钛矿/缓冲层/透明电极。在二电极硅/钙钛矿叠层器件的制备中,研究者们往往采用原子气相沉积、热蒸发等条件要求苛刻、能耗较大的工艺手段来制备关键的复合层或钙钛矿层,以确保薄膜的致密、平整和均匀。而这种条件下制备的叠层器件其实在一定程度上削弱了钙钛矿材料本身的成本优势。

不同于以往的晶硅/钙钛矿二电极叠层电池相关文献报道,北京大学周欢萍研究员、北京理工大学陈棋教授及其合作者采用了全溶液导向的方法来制备二电极叠层器件。其中,最关键的复合层和钙钛矿吸光层全部在低温(<150摄氏度)常压条件下以溶液方法制备,很大程度上减少了工艺流程的能耗、时耗、成本及对真空条件的依赖。该研究吸收和凝练了近期光伏器件溶液法制膜的相关成果作为基础并积极探索创新,在充分发挥出了钙钛矿材料本身优势的同时实现了钙钛矿在硅基叠层器件的高效应用,二电极叠层器件效率突破20%,相关研究成果发表于Solar RRL上。同时,研究者还利用开尔文探针表面电势测试等先进表征手段研究了1.55、1.61、1.69 eV三种钙钛矿与硅电池匹配时复合层与钙钛矿界面处能带结构对叠层开压损失的影响,相关研究成果对制备高效光伏器件有启发和借鉴意义。实验中硅基底部分由新奥集团太阳能中心提供。

目前,晶硅技术和工艺经过几十年的积淀已趋于成熟稳定,光伏市场竞争激烈,钙钛矿单节电池进入光伏市场面临一定的阻力。如果能以成熟的硅基电池为基础,以“钙钛矿+晶硅”的姿态进入市场,钙钛矿材料不但能更好的利用晶硅技术的长期储备,还有机会充分发挥和调动剩余的产能。在这点意义上,开发晶硅/钙钛矿二电极叠层电池意义重大。相关文章在线发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201700149)上。

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