叶继春等基于黑硅结构TOPCon底电池的新型钙钛矿/晶体硅叠层太阳电池

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近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所硅基太阳能及宽禁带半导体团队与浙江省能源集团联合研发出认证效率为28.2%（VOC = 1.80 V，JSC = 19.2 mA/cm2，FF = 81.8%）的两端钙钛矿/晶体硅叠层太阳电池（图1），仅次于德国亥姆霍兹柏林研究中心报道的29.8%和牛津光伏报道的29.5%，为国内目前报道的最高值（图2），同时也是国际上基于隧穿氧化硅钝化接触（TOPCon）底电池的钙钛矿/晶体硅叠层太阳电池的最高效率。与基于平板结构或金字塔绒面结构的传统钙钛矿/硅异质结（SHJ）叠层电池不同，该器件采用了与产业化相兼容的黑硅纳米绒面和TOPCon结构的设计，并通过表面重构技术同步提升硅底电池的光学和电学响应；同时，黑硅纳米绒面可以提高钙钛矿前驱液和反溶剂的润湿性，并通过纳米限域效应诱导钙钛矿的垂直生长，从而提高钙钛矿的晶体质量并促进顶电池中载流子的分离和收集；此外，黑硅纳米绒面还可以有效释放钙钛矿薄膜的内应力，提高叠层器件的长期稳定性。该项目得到了浙江省能源集团的大力资助。
　　目前传统晶体硅的效率发展面临瓶颈，而钙钛矿/晶体硅叠层太阳电池可以有效解决高能光子的热化损失问题，被认为是突破单结电池理论极限最有效的下一代光伏技术。其器件效率在短短6年时间内从13.7%飞速发展到29.8%。而如何进一步突破效率30%，提高其稳定性，并实现低成本的规模化制备是接下来钙钛矿/晶体硅叠层太阳电池研究领域的重点。

图1 福建计量科学研究院国家光伏产业计量测试中心（NPVM）认证报告截图。（NPVM是受Green, Martin A.教授Solar Cell Efficiency Tables系列认可的认证机构之一）

图2 钙钛矿/晶体硅叠层电池效率的进展，蓝色★代表中科院宁波材料所（NIMTE-CAS）

　　中科院宁波材料所硅基太阳能及宽禁带半导体团队在叶继春研究员带领下，于2018年底开始布局研究钙钛矿/晶体硅叠层太阳电池，围绕钙钛矿/TOPCon路线开展叠层技术的系统性研发。团队研究人员在电池结构设计与器件仿真模拟（先进光学结构制备、载流子选择性钝化接触、离子迁移、选择性发射极、薄膜应力调控、电荷隧穿传输和孔洞传输等）和关键材料与工艺开发（TCO透明导电薄膜、耐溅射轰击缓冲层、钙钛矿带隙调控技术、缺陷及界面钝化技术、隧穿结技术、掺杂多晶硅化物薄膜材料及制备等）等方面取得系列成果，其中半透明钙钛矿电池认证效率达到19.3%，四端口钙钛矿/晶体硅叠层电池效率达到27.6%，两端口钙钛矿/晶体硅叠层电池认证效率达到28.2%，未封装钙钛矿电池顶电池最大功率点连续工作3000小时效率保持85%，居行业先进水平。


       文章来源：宁波材料所
        叶继春博士，中科院宁波材料所研究员，博士生导师，2005年获美国加州大学戴维斯分校材料科学与工程博士学位，随后于2006年到2012年期间，先后在美国飞索半导体公司（AMD的剥离公司）、加州太阳能公司、阿尔他器件公司担任高级工程师。2012年8月以“团队人才”加入中科院宁波材料所，现为新能源所研究员。