鈣鈦礦/同質結晶矽串聯疊層電池效率超22%

北極星太陽能光伏網訊:前言:價值何在？

矽基疊層電池技術一直都是量產商用電池實現30%甚至35%超高光電轉換效率的最重要的方向之一（如果不是唯一方向的話）。理論上講帶寬匹配、疊層界面匹配都沒什麼毛病；經濟上講晶體矽襯底沒有敵手。在之前的7月份，兔子介紹過鈣鈦礦/晶矽疊層電池技術方向的最新進展，也就是斯坦福和亞利桑那州立大學聯合報導的23.6%的鈣鈦礦/晶矽四埠疊層電池世界紀錄。這次兔子通報的最新進展，是澳大利亞國立大學（Australian National University, ANU）22.5%的工作。

23.6%都有了，22.5%還好意思說什麼勁？這裡面有重大不同。撿最重要的講，這個區別就是澳洲國立的底層晶矽電池用的是n型「同質結「晶矽電池，而之前報導的斯坦福底層晶矽電池用的是異質結，也就是我們通常說的HIT或者SHJ電池。用」同質結「極大程度上解放了頂層鈣鈦礦電池的製備溫度，為進一步發展高效頂層鈣鈦礦電池解決了非常重要的一個障礙。至少在不遠的將來，29%的效率是有可能的。

（Wu, Energy & Environmental Science, 2017）

為什麼要同質結？

筆者第一次用「同質結」這個術語，覺得比較彆扭。畢竟絕大部分的晶矽電池不就是擴散就是離子注入，被摻雜的材料都是晶體矽，當然是同質結。這就跟說「普通人」是「非基因改造人類」差不多。當然這裡主要是為了跟HIT區分開來，所以強調「同質」。

其實同質異質並不重要，重要的是製備溫度。我們知道鈣鈦礦/晶矽電池的製備順序是先晶矽後鈣鈦礦，這個溫度耐受性就比較重要了。比如我們知道的最普遍的基於介孔氧化鈦電子傳導層的鈣鈦礦太陽能電池的製備溫度必須要高於400C，在這個溫度下，HIT電池基本完蛋；事實上HIT在200C以上就不行了，主要是它的非晶矽層受不了。這就要求鈣鈦礦頂層電池只能採用低溫製備工藝。比如很多主流的PECVD和ALD的工藝都不能使用了。而且一般而言，低溫製備的鈣鈦礦電池的熱穩定性都比較差。而熱穩定性是目前鈣鈦礦電池需要解決的關鍵問題之一

晶體矽底層設計特點

ANU採用的是屬於n型同質結電池，摻雜通過普遍的硼磷高溫摻雜實現，解決了溫度的問題。然而對於疊層電池，特別是雙埠串聯疊層電池而言，子電池的開壓極其重要，所以如果不加表面鈍化的話，會完全落了HIT的下風。為了解決問題，ANU採用了開孔的局域接觸（Si/Cr/Pd/Ag/ITO）+Al2O3/SiNx鈍化層方案，類似於PERC，使得開壓達到了尚可接受的0.62V。然而局域接觸（1%）付出的代價是，填充因子就比較慘澹了！只有72%到74%的樣子。更進一步，如果用局域擴散PERL的話，或許開壓和填充因子都會有所提升。

SiNx也與一般的標準晶矽電池的不同，折射率達到了2.8，也就是說矽的含量高得多。這樣的設計有更好的光學折射率匹配，而短波寄生吸收則不是問題，因為短波幾乎都被鈣鈦礦吸收了。

鈣鈦礦頂層設計特點

鈣鈦礦頂層電池使用的是MoOx/Spiro-OMeTAD/Cs_0.07Rb_0.03FA_0.765MA_0.135PbI_2.55Br_0.45/介孔TiOx/高密度TiOx/ITO的結構。改造後的鈣鈦礦層在大尺度上具有更好的均勻性。

Spiro-OMeTAD的寄生吸收比較嚴重。ANU作者認為將它替換為NiOx以後會有更好的光學性能（跟斯坦福組的思路一致）。節省下來的2.7mA cm-2的短路電流，實現電流匹配，反過來就可以用更高開壓的鈣鈦礦材料了。和更高開壓的晶矽底層結合，作者認為基本可以實現1.97V的串聯開壓，遠超現在的1.75V。

結語：未來展望

ANU的作者認為，經過優化設計上下兩層和中間接觸層，提升的開壓和填充因子（78%）有望在實現29%的轉化效率。

兔子思考的是，如果開壓和填充因子的矛盾如此難以調和，那麼TopCON，亦或是選擇載流子接觸類型的晶體矽底層是不是更好的方案？

兔子再思考的是，晶矽疊層的技術線路，對於晶矽本身的p型、n型之爭，會有什麼樣的影響？

一旦解放了溫度這個限制，應該是開拓了很多設計的思路吧？

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