寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池的挑戰(zhàn)與應(yīng)用展望

在過去的幾年里, 鈣鈦礦材料表現(xiàn)出高效率、低成本的絕對優(yōu)勢, 特別是鈣鈦礦材料由于靈活可調(diào)的禁帶寬度 (1.2—2.5 eV) 為其在多結(jié)疊層太陽電池、彩色太陽電池以及光電催化中的應(yīng)用提供了先決條件。再加之簡單低溫溶液制備工藝使其成為制造多結(jié)疊層太陽電池(tandem solar cells, TSCs) 的理想候選材料。目前實驗室基于晶硅/鈣鈦礦兩端 TSCs 的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過了商用晶硅太陽電池, 并朝著更高效率發(fā)展。因此這種光伏技術(shù)現(xiàn)在存在的挑戰(zhàn)和應(yīng)用場景的展望是值得關(guān)注的。

寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池中的固有問題

目前 WBG-PSCs 最大的問題就是開路電壓損失嚴(yán)重. 主要包括以下幾方面因素:

1) 碘-溴混合的寬帶隙鈣鈦礦材料在光照下存在明顯的鹵素分離,形成了低帶隙的富碘域, 導(dǎo)致了次帶隙吸收增加,最終限制太陽電池的開路電壓。

2) 寬帶隙鈣鈦礦吸收層表面以及與電荷傳輸層界面容易出現(xiàn)較嚴(yán)重的陷阱態(tài), 從而捕獲載流子, 造成嚴(yán)重的界面非輻射復(fù)合。

3) 寬帶隙鈣鈦礦吸收層相對于窄帶隙吸收層來說, 與電荷傳輸層之間的能級偏移更大, 載流子一旦從吸收層轉(zhuǎn)移至傳輸層, 就會失去部分自由能, 從而造成額外的開路電壓損失。根據(jù)吸收層與電荷傳輸層 (CTL) 能級排列, 在統(tǒng)計的空穴傳輸層 (HTL) 中, 聚合物 PTAA 和 Poly-TPD 與鈣鈦礦的價帶能級最為匹配, 甚至超過了目前廣泛使用的 Spiro-OMeTAD,而對于PEDOT: PSS 的能級偏移較為嚴(yán)重, 不利于空穴的提取和阻擋電子; 同樣, P3HT 的帶隙太窄, 也不利于阻擋電子, 因此目前基于這兩種空穴傳輸層的 PSCs 開路電壓都普遍較低。在所示的電子傳輸層 (ETL) 中, TiO2 和 SnO2 的能級位置要更優(yōu)于 P-I-N 器件結(jié)構(gòu)中常用的 C60 和 PCBM.此外, 可以發(fā)現(xiàn) C60和PCBM相對于吸收層的能級偏移要比 Spiro-OMeTAD 更加嚴(yán)重, 這也可能是目前 N-I-P 型太陽電池表現(xiàn)更為優(yōu)異的原因之一。為了改善在 P-I-N 型寬帶隙鈣鈦礦與C60 (PCBM)之間的能級錯位, 通常做法是插入一層薄的氟化鋰 (LiF) 中間層, 其導(dǎo)帶位置大約為–4.01 eV。除此之外, 在帶隙更寬的全無機 PSCs 中, 為了改善吸收層與電荷傳輸層之間的能級嚴(yán)重失配,通常會采用梯度帶隙結(jié)構(gòu)的 PSCs, 即將不同帶隙的鈣鈦礦吸收層梯度排列共同作為吸收層來提高載流子的提取和傳輸效率。這種方法, 一方面有效降低載流子轉(zhuǎn)移過程中的復(fù)合損耗, 增強內(nèi)建電場, 從而提高開路電壓, 另一方面增厚了鈣鈦礦薄膜有利于增加吸光度, 從而提高短路電流密度。

寬帶隙鈣鈦礦、窄帶隙鈣鈦礦和常用電荷傳輸層的能帶圖

寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池應(yīng)用展望

首先，寬帶隙 (Eg > 1.63 eV) 鈣鈦礦能夠與多種窄帶隙的無機吸收層比如硅 (Si)、銅銦鎵硒 (CIGS)、碲化鎘 (CdTe) 或者窄帶隙鈣鈦礦等相結(jié)合, 制備出一定效率的 TSCs。并且隨著鈣鈦礦帶隙的拓寬, 實現(xiàn)不同程度透明度的薄膜也成為可能, 電池的顏色也可由紅棕色變?yōu)辄S色, 這使得寬帶隙 PSCs 在光伏建筑一體化(BIPV) 方面具有不可比擬的優(yōu)勢。盡管目前國內(nèi)BIPV 市場大多還是晶硅電池的天下, 主要原因是其價格便宜和穩(wěn)定性好, 但其在透明應(yīng)用的市場方面還存在一定的局限性。而薄膜型的 PSCs 不僅質(zhì)量輕、柔韌性好、弱光性好, 顏色也多變, 更有利于與建筑物融為一體, 有望成為高樓大廈幕墻裝飾、車輛有色玻璃貼膜等的替代品。

此外, 受太陽電池的啟發(fā), 鈣鈦礦材料也在光電催化領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的發(fā)展?jié)摿ΑＬ貏e是將具有高開路電壓 (VOC) 的寬帶隙鈣鈦礦太陽電池 (WBG PSCs) 或 TSCs 應(yīng)用于光電水解制氫和二氧化碳還原等領(lǐng)域。

由于寬帶隙鈣鈦礦光伏材料在晶硅/鈣鈦礦疊層太陽電池、半透明/熱致變色電池、水下光伏發(fā)電等方面具有的獨特應(yīng)用優(yōu)勢，其已成為近幾年光伏領(lǐng)域的研究熱點之一。西安電子科技大學(xué)微電子副教授/西安寶馨光能科技有限公司董事長朱衛(wèi)東將介紹寬帶隙鈣鈦礦光伏材料的基本特性及器件應(yīng)用，并重點介紹其在晶硅/鈣鈦礦疊層太陽電池應(yīng)用方面的主要技術(shù)路線、進(jìn)展、今后要解決的科學(xué)技術(shù)問題以及團隊的研究進(jìn)展。

審核編輯：湯梓紅