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一文盡析鈣鈦礦—晶硅疊層電池關(guān)鍵技術(shù):疊層界面工藝

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:6371次  |  2020年03月19日  

鈣鈦礦-晶硅疊層電池(perovskite/c-Sitandemsolarcell),作為光伏學(xué)界第一當(dāng)紅炸子雞鈣鈦礦電池,和光伏產(chǎn)業(yè)界絕對(duì)老大哥晶硅電池互蹭熱點(diǎn)的產(chǎn)物,一旦來(lái)電,自然是火花四溢。賣(mài)點(diǎn)太多:用晶硅打底保證靠譜,鈣鈦礦做彩頭性?xún)r(jià)比高,結(jié)合以后更是1+1>2,效率有望過(guò)30%,實(shí)在是吸睛。鈣鈦礦-晶硅疊層電池在學(xué)界熱了很多年,今年終于有消息越界試水了。居然有廠(chǎng)商號(hào)稱(chēng)推出了交鑰匙解決方法。今天就來(lái)詳盡討論一下鈣鈦礦-晶硅疊層電池最關(guān)鍵的技術(shù):疊層界面工藝。純屬拋磚引玉,如有不贊同的,將就這塊磚頭,拍回來(lái)就是了。


疊層界面


任何雙端疊層電池的界面,都是要命的所在。(雙端vs四端之爭(zhēng),兔子留作以后討論。)一般來(lái)說(shuō),在疊層電池制備的過(guò)程中,總是先拿一個(gè)做好的電池作為襯底,把另外一個(gè)電池長(zhǎng)在上面。就是這“長(zhǎng)”字,麻煩就大了。


晶格匹配


假如是III-V族電池體系,不管是MOCVD還是MBE,上層的電池都要和下層的電池晶格匹配,否則就會(huì)長(zhǎng)歪。為了解決這個(gè)問(wèn)題,要不就要選擇晶格不會(huì)失配的材料,要不就要加上一個(gè)組分漸變的緩沖層,這樣既新增了成本,還降低了效率。


界面復(fù)合層


所幸多晶的鈣鈦礦電池并不存在晶格匹配的問(wèn)題,但是其他的界面問(wèn)題也很要命。所謂雙端疊層電池,只是說(shuō)疊層電池最終引出的電極只有正負(fù)兩極,實(shí)質(zhì)上總共還是四端的,因?yàn)槊恳粋€(gè)子電池必然有N和p兩端。只是說(shuō)作為串聯(lián)的結(jié)構(gòu),頂電池的下端和底電池的上端在內(nèi)部是連在一起的,你可以理解為一根導(dǎo)線(xiàn)把它們串在了一起。但顯然作為“單片(monolithic)”制備的疊層電池,導(dǎo)線(xiàn)是不可行的。必須要引入所謂的“復(fù)合層(recombinationlayer)”。


兔子必須要請(qǐng)大家留意,此處的復(fù)合不是指子電池內(nèi)部少數(shù)載流子的復(fù)合,而是一個(gè)子電池的多子和另一個(gè)子電池極性相反的多子復(fù)合,就像是用導(dǎo)線(xiàn)把他們連起來(lái)相同。用得比較多的是透明導(dǎo)電膜,比如斯坦福研究組去年創(chuàng)紀(jì)錄的23.6%效率的工作(2017,Bush,NatureEnergy)用的就是ITO,貴一點(diǎn),吸光稍微多一點(diǎn),但是性能比較穩(wěn)定。


(2017,Bush,NatureEnergy)


也有人從微晶-非晶薄膜找到靈感,用反向的重?fù)焦枳鏊泶┙Y(jié)層的,比如MIT研究組的工作(2015,Mailoa,ApL)。所謂各有各的絕活。


(2015,Mailoa,ApL)


最近更加有UNSW的學(xué)者另辟蹊徑,干脆這層界面層也給省了算了,找到一種材料SnO2,既能作為鈣鈦礦層的電子傳導(dǎo)層,又能作為底層晶硅電池的復(fù)合接觸層。錢(qián)省了效果還很好。只要把晶硅電池的發(fā)射極方阻調(diào)一調(diào),即可實(shí)現(xiàn)完美的整流接觸(2018,Zheng,EES)。


(2018,Zheng,EES)


然而無(wú)論如何,制絨的界面才是王道,畢竟鈣鈦礦-晶硅疊層電池的痛點(diǎn)和瓶頸在電流。只有金字塔絨面的陷光效果才好,才能提升電流。更何況,假如晶硅和鈣鈦礦接觸的表面還要拋光的話(huà),這成本就好說(shuō)不好聽(tīng)了,那產(chǎn)業(yè)化前景實(shí)在堪憂(yōu)。道理誰(shuí)都懂,可惜誰(shuí)都做不出來(lái)。為何呢?兩大難題:第一是一旦晶硅制絨,表面就變得坑坑洼洼,再往上涂的鈣鈦礦材料,基本上都會(huì)掉進(jìn)金字塔的底部,而金字塔尖則是光禿禿的,這輕則少子復(fù)合巨大,重則鈣鈦礦頂電極和晶硅頂部直接接觸,直接就沒(méi)鈣鈦礦電池什么事了。第二,即使不會(huì)完全掉進(jìn)坑里,但是只要鈣鈦礦成膜稍有不均勻,就會(huì)把鈣鈦礦電池給分流(shunt),嚴(yán)重影響開(kāi)壓和填充因子。這兩大難題,不了解困擾了多少才智之士。


瑞士EpFL的Ballif組今年終于找到了解決的辦法(2018,Sahli,NatureMaterials)。訣竅之一是物理沉積+溶液涂層的結(jié)合。物理蒸發(fā)的薄膜一定是指哪打哪兒,無(wú)論什么表面都貼的嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)的,顯然不會(huì)有溶液涂層那種受重力用途就會(huì)掉到坑里的問(wèn)題。但是鈣鈦礦里面的有機(jī)鹵化物成分又要溶液旋涂。怎么辦呢?這個(gè)研究組先用共蒸發(fā)的辦法把“孔狀”碘化鉛框架鍍到金字塔上,再往上面甩有機(jī)鹵化物溶液。這些孔就會(huì)像海綿相同把有機(jī)鹵化物均勻的吸到他們應(yīng)該在的地方。再一燒結(jié),均勻成膜!


(2018,Sahli,NatureMaterials)


訣竅之二是用納米晶硅取代ITO做鈣鈦礦-晶硅的界面復(fù)合層。此處不得不八卦?xún)删洹.?dāng)年微晶/非晶硅疊層電池界第一大牛Ballif,不以物喜不以己悲,沒(méi)有靜靜的跟著微晶/非晶薄膜電池一起衰敗,而是轉(zhuǎn)手把一套非晶硅薄膜的訣竅刷到HIT電池上,成為HIT的一方豪強(qiáng);如今又把這納米晶硅薄膜的訣竅用到了疊層上,直接玩出了25.2%疊層記錄的新高度!這也算是冥冥天意,峰回路轉(zhuǎn)不由人!為何納米晶硅復(fù)合層這么神奇?


說(shuō)起來(lái)有點(diǎn)反直覺(jué),正是因?yàn)樗ЯL。瑱M向?qū)щ娦蕴?為何橫向?qū)щ娦圆罘炊呛檬?因?yàn)榧偃鐧M向?qū)щ娦院昧耍诮鹱炙棙?gòu)的情況下,一旦鈣鈦礦成膜不均勻,就有分流shunt的危險(xiǎn),那就沒(méi)開(kāi)壓什么事了,沒(méi)填充因子什么事了,也就沒(méi)鈣鈦礦子電池什么事了。但是另一方面,納米晶硅薄膜的縱向?qū)щ娦杂趾芎茫驗(yàn)檎麄€(gè)膜厚也就差不多一個(gè)晶粒厚度的樣子。這就是納米晶的神奇之處,換成微晶、非晶都不行。


(2018,Sahli,NatureMaterials)


兔子把雙端鈣鈦礦-晶硅疊層電池關(guān)鍵的界面工藝為大家梳理了一下。離產(chǎn)業(yè)化有多遠(yuǎn)?大家仁者見(jiàn)仁智者見(jiàn)智。至少在兔子看來(lái),一些關(guān)鍵的技術(shù)瓶頸已經(jīng)有了解決的方法。


至于雙端還是四端還是三端疊層?有機(jī)會(huì)有興趣的話(huà)我們下文再分解。


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