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摻雜C??/TaTm分子復合結實現22%效率鈣鈦礦/硅疊層電池:機理與性能研究

美能光伏 ? 2025-04-25 09:02 ? 次閱讀

鈣鈦礦/硅串聯電池是突破硅單結效率極限(29.5%)的理想方案,但工業(yè)硅片表面粗糙性導致的漏電問題亟待解決。本研究提出一種新型復合結設計,利用n摻雜C??與p摻雜TaTm的有機異質結,通過低橫向導電性阻斷漏電,并結合Suns-VOC選擇性光照與美能QE量子效率測試儀的外量子效率(EQE)分析,系統(tǒng)驗證其在抑制漏電與提升效率中的關鍵作用。

實驗方法

Millennial Solar

  • 串聯電池結構設計
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串聯堆疊結構

雙端串聯電池采用倒置發(fā)射極結構的硅異質結(SHJ)底電池(n型CZ硅片)與p-i-n型鈣鈦礦頂電池串聯。復合結設計包括三種方案:

  • 傳統(tǒng)ITO-RJ:20 nm ITO層沉積于非晶硅(a-Si:H(n)層上;
  • 超薄ITO-RJ:5 nm ITO層;
  • 有機n-n-p-RJ:n摻雜C60層(通過PhIm共蒸發(fā)實現n型摻雜)與p摻雜TaTm層(F6-TCNNQ氧化摻雜)結合。
  • 材料制備與表征

鈣鈦礦層:采用三源共蒸發(fā)法制備Cs0.2FA0.8Pb(I0.8Br0.2)3(帶隙1.66 eV),通過XRD和吸收光譜驗證晶體質量。電荷傳輸層:空穴傳輸層(HTL)為TaTm/F6-TCNNQ復合結構,電子傳輸層(ETL)為C60/SnO2雙層。電學測試:利用LED光源太陽模擬器測量J-V曲線,霍爾效應測試驗證C60的n型特性。

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SEM圖像

形貌分析:SEM圖像顯示鈣鈦礦層對硅金字塔結構的共形覆蓋,局部未覆蓋區(qū)域導致傳統(tǒng)ITO-RJ器件完全短路。

電性能分析

Millennial Solar




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J-V特性曲線電性能參數

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  • 傳統(tǒng)ITO-RJ器件(20 nm):J-V曲線呈現單結硅電池特性(JSC≈18 mA/cm2,VOC≈0.7 V),表明鈣鈦礦頂電池完全短路。
  • 超薄ITO-RJ器件(5 nm):VOC提升至1.65 V,但填充因子(FF)僅55%,仍存在顯著漏電流。
  • 有機n-n-p-RJ器件:VOC達1.84 V,FF提升至70%,PCE突破22%。有機層的低橫向導電性有效隔離局部短路路徑,暗態(tài)J-V曲線顯示其具有更高的并聯電阻

EQE分析

Millennial Solar


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(a) 外量子效率(EQE)測試;(b) EQE異常現象的機制解釋

外量子效率(EQE)測試采用鹵素光源結合光偏置技術,通過波長選擇性濾光片(550 nm短通與850 nm長通)分別飽和底電池與頂電池的光電流。測試中,通過電壓偏置(約0.6 V或1.0 V)確保被測子電池處于短路狀態(tài),避免反向偏壓導致的電流損失。

  • 5 nm ITO-RJ器件:鈣鈦礦頂電池在紅外區(qū)(>760 nm)出現顯著寄生響應,其積分電流中約2.13 mA/cm2源自底電池電流通過頂電池漏電路徑。該現象表明頂電池并聯電阻(Rsh)過低,導致子電池間電流耦合
  • 有機n-n-p-RJ器件:紅外區(qū)寄生響應完全消除,EQE曲線在可見光區(qū)(300–780 nm)積分電流達16.90 mA/cm2,經柵線陰影校正后(校正因子0.89)與J-V結果(17.8 mA/cm2)高度吻合。

ITO-RJ的高橫向導電性(8×10-3S/cm)使局部短路路徑形成連續(xù)導電網絡,導致底電池光生電流通過頂電池漏電。而有機RJ的橫向導電性(~10-4S/cm)顯著抑制漏電路徑的連通性,阻斷電流耦合,從而提升頂電池的獨立工作性能。ITO復合結存在寄生響應,有機復合結無分流。

選擇性光照分析-VOC量化

Millennial Solar




edce0722-2170-11f0-9434-92fbcf53809c.png選擇性光照下的Suns-VOC曲線通過450 nm藍光激光(激發(fā)頂電池)與910 nm紅外激光(激發(fā)底電池)選擇性照明,測量器件開路電壓(VOC)隨光強的變化規(guī)律。理想情況下,VOC與光強呈對數關系,而線性響應則表明存在顯著漏電。

  • 5 nm ITO-RJ器件:頂電池VOC隨光強線性增加,表明漏電流主導電荷輸運。底電池VOC在1 sun等效光強下僅0.61 V,低于原始硅片隱含VOC(0.744 V),歸因于切割損傷與鈣鈦礦濾光效應。
  • 有機n-n-p-RJ器件:頂電池VOC呈現對數型光強依賴,符合理想二極管特性,且底電池VOC貢獻量(0.62 V)與串聯器件總VOC(1.84 V)匹配,驗證了復合結的電荷高效復合能力,有機復合結使鈣鈦礦子電池符合理想二極管行為。

研究結果表明,這種由n型摻雜的C60層和p型摻雜的芳胺層(TaTm)組成的全有機重組結,能夠顯著減輕頂電池中的分流效應,從而提高電池的開路電壓(VOC)和填充因子(FF),最終實現了超過22%的轉換效率。此外,通過外部量子效率(EQE)測量和選擇性照明的Suns-VOC測量,我們進一步證實了全有機重組結在提高電池性能方面的優(yōu)勢。

美能QE量子效率測試儀

Millennial Solar



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美能QE量子效率測試儀可以用來測量太陽能電池的光譜響應,并通過其量子效率來診斷太陽能電池存在的光譜響應偏低區(qū)域問題。它具有普遍的兼容性、廣闊的光譜測量范圍、測試的準確性和可追溯性等優(yōu)勢。

兼容所有太陽能電池類型,滿足多種測試需求

光譜范圍可達300-2500nm,并提供特殊化定制

氙燈+鹵素燈雙光源結構,保證光源穩(wěn)定性


進一步優(yōu)化電荷傳輸層摻雜工藝與界面工程,有望實現更高效率的工業(yè)化雙端串聯電池。美能QE量子效率測試儀憑借其高精度光譜響應測量與雙光源穩(wěn)定性,為EQE分析與漏電路徑診斷提供了可靠技術支撐,助力多結太陽能電池的缺陷定位與性能優(yōu)化。

原文參考:Molecular Recombination Junction for Vacuum-Deposited Perovskite/Silicon TwoTerminal Tandem Solar Cells

*特別聲明:「美能光伏」公眾號所發(fā)布的原創(chuàng)及轉載文章,僅用于學術分享和傳遞光伏行業(yè)相關信息。未經授權,不得抄襲、篡改、引用、轉載等侵犯本公眾號相關權益的行為。內容僅供參考,若有侵權,請及時聯系我司進行刪除。

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