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一文尽析钙钛矿—晶硅叠层电池关键技术:叠层界面工艺
  • 2018-08-20 10:27:22
  • 浏览:939
  • 来自:PV兔子

钙钛矿-晶硅叠层电池(perovskite/c-Si tandem solar cell),作为光伏学界第一当红炸子鸡钙钛矿电池,和光伏产业界绝对老大哥晶硅电池互蹭热点的产物,一旦来电,自然是火花四溢。卖点太多:用晶硅打底保证靠谱,钙钛矿做彩头性价比高,结合以后更是1+1>2,效率有望过30%,实在是吸睛。钙钛矿-晶硅叠层电池在学界热了很多年,今年终于有消息越界试水了。居然有厂商号称推出了交钥匙解决方案。不管靠谱不靠谱,兔子已经按耐不住,跳进来要凑凑热闹。今天就来详尽讨论一下兔子认为的钙钛矿-晶硅叠层电池最关键的技术:叠层界面工艺。纯属抛砖引玉,如有不赞同的,将就这块砖头,拍回来就是了。

叠层界面

任何双端叠层电池的界面,都是要命的所在。(双端vs四端之争,兔子留作以后讨论。)一般来说,在叠层电池制备的过程中,总是先拿一个做好的电池作为衬底,把另外一个电池长在上面。就是这“长”字,麻烦就大了。

晶格匹配

如果是III-V族电池体系,不管是MOCVD还是MBE,上层的电池都需要和下层的电池晶格匹配,否则就会长歪。为了解决这个问题,要不就要选择晶格不会失配的材料,要不就要加上一个组分渐变的缓冲层,这样既增加了成本,还降低了效率。

界面复合层

所幸多晶的钙钛矿电池并不存在晶格匹配的问题,但是其他的界面问题也很要命。所谓双端叠层电池,只是说叠层电池最终引出的电极只有正负两极,实质上总共还是四端的,因为每一个子电池必然有N和P两端。只是说作为串联的结构,顶电池的下端和底电池的上端在内部是连在一起的,你可以理解为一根导线把它们串在了一起。但显然作为“单片(monolithic)”制备的叠层电池,导线是不可行的。必须要引入所谓的“复合层(recombination layer)”。

兔子必须要请大家留意,此处的复合不是指子电池内部少数载流子的复合,而是一个子电池的多子和另一个子电池极性相反的多子复合,就像是用导线把他们连起来一样。用得比较多的是透明导电膜,比如斯坦福研究组去年创纪录的23.6%效率的工作(2017,Bush,Nature Energy)用的就是ITO,贵一点,吸光稍微多一点,但是性能比较稳定。

(2017,Bush,Nature Energy)

也有人从微晶-非晶薄膜找到灵感,用反向的重掺硅做隧穿结层的,比如MIT研究组的工作(2015,Mailoa,APL)。所谓各有各的绝活。

(2015,Mailoa,APL)

最近更有UNSW的学者另辟蹊径,干脆这层界面层也给省了算了,找到一种材料SnO2,既能作为钙钛矿层的电子传导层,又能作为底层晶硅电池的复合接触层。钱省了效果还很好。只需要把晶硅电池的发射极方阻调一调,即可实现完美的整流接触(2018,Zheng,EES)。

(2018,Zheng,EES)

然而无论如何,制绒的界面才是王道,毕竟钙钛矿-晶硅叠层电池的痛点和瓶颈在电流。只有金字塔绒面的陷光效果才好,才能提升电流。更何况,如果晶硅和钙钛矿接触的表面还需要抛光的话,这成本就好说不好听了,那产业化前景实在堪忧。道理谁都懂,可惜谁都做不出来。为什么呢?两大难题:第一是一旦晶硅制绒,表面就变得坑坑洼洼,再往上涂的钙钛矿材料,基本上都会掉进金字塔的底部,而金字塔尖则是光秃秃的,这轻则少子复合巨大,重则钙钛矿顶电极和晶硅顶部直接接触,直接就没钙钛矿电池什么事了。第二,即使不会完全掉进坑里,但是只要钙钛矿成膜稍有不均匀,就会把钙钛矿电池给分流(shunt),严重影响开压和填充因子。这两大难题,不知道困扰了多少才智之士。

瑞士EPFL的Ballif组今年终于找到了解决的办法(2018,Sahli,Nature Materials)。诀窍之一是物理沉积+溶液涂层的结合。物理蒸发的薄膜一定是指哪打哪儿,无论什么表面都贴的严严实实的,显然不会有溶液涂层那种受重力作用就会掉到坑里的问题。但是钙钛矿里面的有机卤化物成分又需要溶液旋涂。怎么办呢?这个研究组先用共蒸发的办法把“孔状”碘化铅框架镀到金字塔上,再往上面甩有机卤化物溶液。这些孔就会像海绵一样把有机卤化物均匀的吸到他们应该在的地方。再一烧结,均匀成膜!

(2018,Sahli,Nature Materials)

诀窍之二是用纳米晶硅取代ITO做钙钛矿-晶硅的界面复合层。此处不得不八卦两句。当年微晶/非晶硅叠层电池界第一大牛Ballif,不以物喜不以己悲,没有静静的跟着微晶/非晶薄膜电池一起衰败,而是转手把一套非晶硅薄膜的诀窍刷到HIT电池上,成为HIT的一方豪强;如今又把这纳米晶硅薄膜的诀窍用到了叠层上,直接玩出了25.2%叠层记录的新高度!这也算是冥冥天意,峰回路转不由人!为什么纳米晶硅复合层这么神奇?

说起来有点反直觉,正是因为它晶粒太小,横向导电性太差!为什么横向导电性差反而是好事?因为如果横向导电性好了,在金字塔织构的情况下,一旦钙钛矿成膜不均匀,就有分流shunt的危险,那就没开压什么事了,没填充因子什么事了,也就没钙钛矿子电池什么事了。但是另一方面,纳米晶硅薄膜的纵向导电性又很好,因为整个膜厚也就差不多一个晶粒厚度的样子。这就是纳米晶的神奇之处,换成微晶、非晶都不行。

(2018,Sahli,Nature Materials)

兔子把双端钙钛矿-晶硅叠层电池关键的界面工艺为大家梳理了一下。离产业化有多远?大家仁者见仁智者见智。至少在兔子看来,一些关键的技术瓶颈已经有了解决的方案。

至于双端还是四端还是三端叠层?有机会有兴趣的话我们下文再分解。

【责任编辑:sunnyz】
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关键字阅读: 晶硅叠层 钙钛矿电池
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