Solar RRL:钙钛矿/铜铟镓硒(GIGS)串联太阳能电池的理论研究

自从2009年钙钛矿材料第一次被应用于太阳能电池以来,因其具有光电转化效率高、活性层材料廉价易得、可溶液加工易制备等优点,钙钛矿太阳能电池越来越受到人们的关注,其光电转化效率已经从3.7%提升到了24.2%。和钙钛矿电池相比,铜铟镓硒电池拥有几十年的发展历程,但是铜铟镓硒电池的短波段光子吸收能力较弱。所以,将钙钛矿电池和铜铟镓硒电池组成串联太阳能电池,可以有效提高器件光电转化效率。但是在实验条件下两端串联电池的子电池之间的电流匹配较难研究,所以通过对钙钛矿/铜铟镓硒串联太阳能电池实验过程中涉及到的各项参数进行理论分析对于实现高效串联太阳能电池具有重要的意义。

西安电子科技大学微电子学院郝跃院士团队的常晶晶教授等人通过采用漂移扩散模型对钙钛矿/铜铟镓硒串联太阳能电池实验过程中涉及到的各项参数进行理论分析。结果表明,通过减薄TiO2电子传输层和Spiro-OMeTAD空穴传输层的厚度可以分别减少短波段和长波段的寄生吸收,添加MgF2减反射层可以提高400-600nm波段的光吸收率,减薄FTO透明电极的厚度可以有效减少反射,使得更多的光子传输到吸收层从而被俘获。将上述方法应用到钙钛矿/铜铟镓硒两端串联太阳能电池结构中,结果显示,同时改变钙钛矿层和铜铟镓硒层的厚度,得到一条电流匹配曲线,且电流随厚度增加趋于饱和。随着卤素组分由I3变化为Br3引起的禁带宽度增大,短路电流逐渐减小,开路电压逐渐增大。通过进一步优化钙钛矿材料的组分及减少电学损耗(如减少钙钛矿薄膜缺陷密度,优化铜铟镓硒薄膜掺杂浓度等),最终,在子电池的电流匹配的情况下,CH3NH3PbI2Br/铜铟镓硒串联结构性能最优,其最高光电转化效率可以达到31.13%,说明钙钛矿/铜铟镓硒串联太阳能电池的性能依然有很大的提升空间。该工作为进一步提升钙钛矿/铜铟镓硒串联太阳能电池性能提供了可靠地预测和指导。

相关文章在线发表在Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201900303)上。