全鈣鈦礦、鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池技術(shù)解析

近年來，鈣鈦礦疊層太陽能電池技術(shù)發(fā)展迅速，電池效率已突破30%，因其由兩個具有不同帶隙吸收體的電池組成，通過差異化吸收更寬范圍波長的太陽光，降低光熱損失，從而提升電池轉(zhuǎn)換效率。美能分光光度計是一款用于測量ITO、非晶硅、微晶硅等薄膜材料的透過率、反射率以及吸光度的檢測儀器，波長范圍為190～2800 nm，搭配全新控制、數(shù)據(jù)處理軟件，可為鈣鈦礦疊層太陽能電池效率分析提供了有力支持。

疊層（串聯(lián)）太陽能電池的概念

1994年，疊層太陽能電池的概念首次被提出。太陽能光譜可以被分成連續(xù)若干部分，用帶隙寬度與之匹配的材料可以組成疊層（串聯(lián)）太陽能電池TSC。

為了獲得盡可能高的光電轉(zhuǎn)換效率，疊層電池應(yīng)滿足材料晶格匹配、禁帶寬度組合合理和頂?shù)鬃与姵仉娏髌ヅ?/strong>等基本要求。疊層電池電流密度一般不同，頂?shù)纂姵氐碾娏魇鋾闺姵匦阅艽笫苡绊?。設(shè)法獲取電池匹配的結(jié)構(gòu)是保證疊層電池具有良好性能的關(guān)鍵。疊層電池的頂部電池采用寬帶隙吸收層，以有效地轉(zhuǎn)換短波長光譜，從而將光損失降到最小；底部電池采用窄帶隙吸收層，以獲取近紅外光子，從而最大限度地提高電流密度。

當(dāng)器件被光照射時，寬帶隙的頂電池吸收能量高于其帶隙的短波長光子，產(chǎn)生高的開路電壓（VOC），而窄帶隙底電池吸收長波長光子，這可以減少光熱損失，提高光電轉(zhuǎn)換效率。

雙結(jié)疊層電池分波段利用太陽光譜示意圖

疊層（串聯(lián)）太陽能電池的結(jié)構(gòu)

疊層電池可以分為兩種結(jié)構(gòu)，一種為兩端疊層電池，包括兩個順序制備的子電池和與兩者相連的互聯(lián)層，結(jié)構(gòu)更加簡單制作成本相對較低，但頂部電池和底部電池的光學(xué)耦合、制備工藝兼容性、互聯(lián)層光學(xué)和電學(xué)的平衡等因素會對電池效率產(chǎn)生影響。

另一種是四端疊層電池，由兩個獨立的電池堆疊，通過外電路連接，制備簡單，但加倍的金屬電極消耗和組件端工藝負責(zé)性限制了大規(guī)模應(yīng)用前景。

下圖為全鈣鈦礦疊層電池的兩種結(jié)構(gòu)：

（a）四端（4-T）全鈣鈦礦疊層太陽能電池；（b）兩端（2-T）全鈣鈦礦疊層太陽能電池

鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池

鈣鈦礦太陽能電池（PSC）具有光吸收系數(shù)高、載流子擴散長度長、可調(diào)節(jié)的帶隙等優(yōu)點，高達25.2％的單節(jié)PCE且易于制造，因此是疊層TSC頂部電池的理想選擇。且能夠與其他中窄帶隙底電池，如晶體硅太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池、有機太陽能電池、銅銦鎵硒太陽能電池帶隙匹配。

鈣鈦礦/異質(zhì)結(jié)疊層太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖（左：兩端式 右：四端式）

對寬帶隙鈣鈦礦電池的界面態(tài)、非輻射復(fù)合和子電池間的光電耦合精準(zhǔn)把控，能夠提升電池的光電轉(zhuǎn)化效率。理想狀態(tài)下，是實現(xiàn)頂部電池在300~750nm范圍的紫外及可見光譜全吸收、對于更寬范圍的長波段光譜無吸收，這就要求鈣鈦礦吸收體的光學(xué)帶隙盡量寬（1.67~1.75eV），但是這會導(dǎo)致嚴重的非輻射復(fù)合損失。互聯(lián)層的光學(xué)與電學(xué)性能也對整個電池效率產(chǎn)生影響。

全鈣鈦礦疊層太陽能電池

全鈣鈦礦疊層電池由頂部的寬帶隙鈣鈦礦子電池和底部的窄帶隙鈣鈦礦子電池一體化疊加而成，其優(yōu)勢在于兩個子電池帶隙均可靈活調(diào)節(jié)，能夠最大程度上實現(xiàn)太陽光譜高效利用，且Voc超過了鈣鈦礦/晶硅疊層電池。但仍有三個因素限制全鈣鈦礦疊層電池的效率。

第一，窄帶隙子電池的穩(wěn)定性受Sn2+的易氧化所影響。

第二，全鈣鈦礦疊層電池互聯(lián)界面為平面，平面界面的光反射降低了窄帶隙子電池的長波光譜利用率。

第三，窄帶隙子電池沉積過程中存在溶劑降解的風(fēng)險。

全鈣鈦礦疊層太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖

目前，鈣鈦礦疊層電池中，鈣鈦礦/晶硅疊層電池和全鈣鈦礦疊層電池效率較高，也是近年來大部分鈣鈦礦電池生產(chǎn)商的主要研究方向，效率從23.5%提升到33.9%。

近年鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池效率

美能分光光度計UVN2800

美能分光光度計支持測定從紫外區(qū)到近紅外區(qū)的廣范圍波長區(qū)域的太陽光透過率，為太陽電池的效率分析提供了有力支持。設(shè)備采用獨特的雙光束光學(xué)設(shè)計，可以完美地校正不同樣品基質(zhì)的吸光度變化，從而可穩(wěn)定地進行樣品的測定，具有測試范圍廣、精度高以及穩(wěn)定性好的優(yōu)點。

• 采用雙光源雙檢測器設(shè)計，波長范圍190-2800nm

• 雙光柵光學(xué)結(jié)構(gòu)、有效降低雜散光

積分球直徑可達100mm，長期使用不發(fā)黃變性、光學(xué)性能穩(wěn)定

美能分光光度計UVN2800操作演示視頻

在“雙碳”目標(biāo)的大背景下，高效光伏發(fā)電技術(shù)作為最有潛力代替?zhèn)鹘y(tǒng)石化資源的清潔能源技術(shù)之一，被國家列為重點支持和優(yōu)先發(fā)展的對象。降低發(fā)電成本、提高轉(zhuǎn)換效率一直是光伏發(fā)電技術(shù)的核心目標(biāo)。目前含鈣鈦礦疊層電池的實驗效率已經(jīng)超過了單鈣鈦礦電池的效率，充分說明疊層結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)更高效利用太陽光能源的有效方法。「美能光伏」提供UVN2800分光光度計，提供薄膜材料透過率、反射率以及吸光度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確測量。