具有准全向发电特性的超薄晶硅太阳电池

现今,人类社会的飞速发展离不开电力的持续供应。相对于传统化石能源发电方式,光伏发电以其能量分布广、能量获取简易和环保可持续的特点吸引了学术和工业界的广泛注意。随着人们对其研究的深入,实验室制备的高效太阳电池效率纪录被不断地刷新,同时,工业化的电池效率不断提升,并且成本也在不断下降。然而,太阳电池的度电成本相比传统化石能源来说还是较高,其市场竞争力仍有待增强。

考虑到原材料硅的成本占据了太阳电池组件成本较大的比重,因此超薄太阳电池的应用可以大大减少硅材料的使用,从而有效降低太阳电池的综合成本。此外,超薄晶硅太阳电池还具有其独特的性能优势,比如:当电池表面复合速率较低时,硅片越薄电池开压更高;由于少子扩散长度变短,允许使用较低质量的硅衬底;有利于制成柔性电池等等。但超薄太阳电池的应用更需要克服一些挑战,如硅吸光层厚度减薄带来的光吸收限制,超薄太阳电池对表面复合的高敏感性以及其复杂的制造工艺问题等。

近期,上海交通大学太阳能研究所沈文忠课题组提出了一种可与产线兼容、简单、低成本的超薄太阳电池制备工艺,即采用化学全溶液法制备硅纳米金字塔,并将其作为超薄太阳电池的表面陷光结构,以解决超薄太阳电池的光吸收问题;进一步地,通过将纳米金字塔绒面与异质结电池结构钝化技术相结合,以实现超薄太阳电池优越的表面钝化效果。通过这种与产线兼容的生产工艺,研究团队在37μm的晶硅太阳电池上实现了15.1%的效率,开压高达近700mV。值得注意的是,不论是实验研究还是理论模拟,均表明纳米金字塔绒面超薄太阳电池的光吸收特性与常规微米金字塔绒面超薄电池相比,其对光的入射角度更不敏感,展示出了纳米金字塔绒面超薄太阳电池具备可全天输出更高功率的准全向发电潜力。此外,研究团队还探索了铜金属化电极代替昂贵的银金属电极以进一步地降低超薄晶硅太阳电池成本,同时实现了可与银金属化电池相比拟的转换效率(15.0%)。

研究者相信,以上这种可与产线兼容的超薄太阳电池制备工艺简单、成本低、易操作,为未来超薄晶硅太阳电池的低成本工业化应用提供了新的思路,并且有希望通过优化得到更具竞争力的超薄太阳电池效率,进一步提升超薄太阳电池的市场价值。相关论文以Frontispiece形式在线发表在Advanced Electronic Materials (DOI: 10.1002/aelm.201800858)上。