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米测 纳米人 2023-11-17

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特别说明:本文由米测技术中心原创撰写,旨在分享相关科研知识。因学识有限,难免有所疏漏和错误,请读者批判性阅读,也恳请大方之家批评指正。
原创丨彤心未泯(米测 技术中心)
编辑丨风云

钙钛矿/硅串联太阳能电池发展迅速,连接顶部和底部子电池的复合层对于进一步的进展至关重要。然而,目前提高器件效率的努力主要集中在顶部子电池的改进上。

有鉴于此,中科院宁波材料所叶继春、杨熹、杨阵海和苏州大学李孝峰等人提出了一种钙钛矿/隧道氧化物钝化接触硅串联电池,创新地将多晶硅(p+)/多晶硅(n+)隧道复合层(多晶硅TRL)集成到高效钙钛矿/TOPCon TSC中。通过本质上抑制掺杂剂相互扩散和补偿,获得了具有优异钝化性能和低接触电阻的高质量多晶硅TRL。(2-(3,6-二甲氧基-9H-咔唑-9-基)乙基)膦酸在多晶硅基板上的强吸附能力能够实现有效的载流子传输和提取,特别是对于顶部钙钛矿子电池。该器件实现了29.2%的效率(经认证为 28.76%),并在连续最大功率点跟踪500小时后保留了初始效率的85%。此外,作者提供了载流子传输和隧道机制的见解,为追求高效率叠层太阳能电池的中间层设计提供了指导。 
  
钙钛矿/TOPCon TSC 的光伏性能

作者展示了多晶硅TRL的钙钛矿/TOPCon TSC的结构图,HR-TEM和EDS图探索了多晶硅(p+)/多晶硅(n+)叠层的成分和晶体结构,表明了高质量钙钛矿薄膜晶硅衬底特性,多晶硅薄膜具有较高的结晶度,厚度约31nm。然后研究了具有多晶硅TRL的钙钛矿/TOPCon TSC的光伏性能,采用多晶硅 TRL的TSC表现出较高的PCE,为29.2%,开路电压(Voc)为1.83V,Jsc为19.7mAcm2,填充因子(FF)为81.0%。本研究显示的29.2%的效率是迄今为止钙钛矿/TOPCon TSC 的最高效率之一。作者还研究了相关器件的长期稳定性,采用多晶硅TRL的简单封装TSC表现出良好的长期前景稳定性,500 小时后仍保留其初始 PCE 的 85%。    

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  微观和光伏特性

多晶硅隧道结的表征

为了评估多晶硅(p+)/多晶硅(n+) 隧道结(TJ)的性能,进行了电化学电容电压(ECV)和二次离子质谱(SIMS)测量,以量化活化杂质和掺杂杂质,结果表明多晶硅(p+)/多晶硅(n+)层内的活化/掺杂杂质浓度保持相对较高,并在多晶硅层处显示出清晰的掺杂边界,表明掺杂剂补偿和相互扩散有限。TJ能带图的测量证实了高效TJ的形成。作者接着评估了多晶硅(p+)/多晶硅(n+)TJ的质量,表明着在多晶硅(n+)层顶部引入额外的多晶硅(p+)层不会降低样品的钝化质量。电性能的表征表明,引入多晶硅(p+)/多晶硅(n+)TJ不会对TOPCon SC的性能产生不利影响。    

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图  性能表征

MeO-2PACz吸附计算及特性

作者通过第一原理DFT模拟研究了MeO-2PACz在IZO和SiO2基多晶硅基板上的吸附能力,结果表明MeO-2PACz在SiO2基上具有更强的吸附能力。基于多晶硅衬底,进一步计算了晶体轨道汉密尔顿布居(COHP)来表示化学键的强度,表明MeO-2PACz吸附在SiO2的多晶硅基板上时形成更稳定和更强的化学物质。    

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图  MeO-2PACz吸附计算及特性

载流子提取特征

接着,作者通过KPFM、UPS等检查了与能带结构和电荷载流子传输/提取行为相关的电特性。稳态光致发光(PL)和时间分辨PL(trPL)测量被用于证实多晶硅(p+)对顶部钙钛矿子电池的有益影响。为了更深入地了解电荷复合动力学,作者进行了超快瞬态吸收(fs-TA)表征。研究结果表明空穴的提取被促进并有效抑制了钙钛矿/HTL 界面处的非辐射复合,可以推断基于多晶硅TRL的TSC的Voc和PCE的改善主要归因于基于钙钛矿的顶部子电池。基于多晶硅 TRL的TSC中观察到载流子传输和提取得到改善,这是推动基于多晶硅 TRL 的 TSC 的 Voc 和 PCE 增强的主要因素。    

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图  IZO和多晶硅(p+)基板上样品的电特性

载流子传输和隧道机制

最后,作者通过使用Silvaco TCAD 软件中的有限元方法进行器件仿真研究了具有多晶硅TRL的钙钛矿/TOPCon TSC 的载流子传输和隧道机制。研究结果表明载流子可能通过陷阱辅助隧道效应(TAT)而不是带间隧道效应(BBT)进行重组,载流子传输以BBT为主。作者还展示了多晶硅(p+)和多晶硅(n+)的掺杂浓度对器件性能的影响,结果表明,当掺杂浓度较低时,载流子隧道效应对主要由TAT主导的缺陷浓度敏感,导致FF和效率较低。相反,当掺杂浓度较高时,载流子隧穿主要由BBT主导,与缺陷浓度基本无关,从而导致较高的FF和效率。    

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图  载体传输机制


参考文献:
Zheng, J., Ying, Z., Yang, Z. et al. Polycrystalline silicon tunnelling recombination layers for high-efficiency perovskite/tunnel oxide passivating contact tandem solar cells. Nat Energy (2023). 
https://doi.org/10.1038/s41560-023-01382-w    

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