近年來，鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池 (tandem solar cells) 憑借其高效率和低成本等優(yōu)勢，成為光伏領域的研究熱點。為了實現(xiàn)大規(guī)模的串聯(lián)太陽能電池模塊化生產(chǎn)，使用工業(yè)化 Czochralski 硅晶片制造的全紋理結(jié)構(gòu)串聯(lián)器件，將成為未來發(fā)展趨勢。然而，傳統(tǒng)用于調(diào)節(jié)鈣鈦礦界面性質(zhì)的表面工程策略并不適用于微米級的紋理表面。
南昌大學的姚凱教授團隊在 Angewandte Chemie International Edition 期刊上發(fā)表了一項最新研究成果，他們開發(fā)了一種全新的表面鈍化策略，利用動態(tài)噴涂 (DSC) 技術將氟化噻吩乙胺配體均勻地涂覆在紋理硅表面，有效地抑制了鈣鈦礦的相變，并提高了器件的效率和穩(wěn)定性。
何謂全紋理 PVK/Si 疊層太陽能電池的特性
鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 的效率近年來不斷攀升，已突破 25% 的瓶頸，但其長期穩(wěn)定性問題仍然是阻礙其商業(yè)化應用的關鍵因素。為了克服單結(jié)器件的效率極限，研究人員將目光轉(zhuǎn)向了串聯(lián)太陽能電池。
傳統(tǒng)方法的局限性
傳統(tǒng)的表面工程策略通常使用旋涂法將配體涂覆在鈣鈦礦薄膜上，但這種方法難以實現(xiàn)對微米級紋理表面的均勻覆蓋。此外，由于鈣鈦礦材料的敏感性，傳統(tǒng)的旋涂方法可能會導致相變和缺陷的產(chǎn)生，影響器件的效率和穩(wěn)定性。
鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池 (tandem solar cells) 結(jié)合了鈣鈦礦材料的高效率和硅材料的低成本、高穩(wěn)定性等優(yōu)勢，展現(xiàn)出巨大的應用潛力，其效率已超過 30%。為了實現(xiàn)大規(guī)模的串聯(lián)太陽能電池模塊化生產(chǎn)，使用工業(yè)化 Czochralski 硅晶片制造的全紋理結(jié)構(gòu)串聯(lián)器件，將成為未來發(fā)展趨勢。
全紋理 PVK/Si 疊層太陽能電池的特性
全紋理鈣鈦礦/硅（PVK/Si）疊層太陽能電池通過在硅層和鈣鈦礦層表面引入微米級或納米級的紋理結(jié)構(gòu)，提升了光的捕獲能力和減少了光的反射損失，從而顯著提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。這些紋理結(jié)構(gòu)通常由大尺寸的金字塔或其他復雜結(jié)構(gòu)組成，有助於光的多次反射和散射，進一步增強光吸收。
l 光捕獲效率高： 表面紋理結(jié)構(gòu)增強了光的吸收，使更多的光子被轉(zhuǎn)化為電能。
l 減少反射損失： 紋理表面能有效減少光的反射，提高入射光的利用率。
l 界面穩(wěn)定性： 優(yōu)化的表面結(jié)構(gòu)和界面層有助於提高鈣鈦礦層和硅層之間的界面穩(wěn)定性。
l 高轉(zhuǎn)換效率： 利用全紋理結(jié)構(gòu)的 PVK/Si 疊層太陽能電池已經(jīng)展示了接近 30% 的轉(zhuǎn)換效率，甚至更高。
全紋理 PVK/Si 疊層太陽能電池研究進展
近年來，許多研究團隊致力于開發(fā)高效穩(wěn)定的全紋理 PVK/Si 疊層太陽能電池，并取得了顯著進展。以下是一些重要的研究成果：
發(fā)表年份 論文全名 主要作者
2018 Fully textured monolithic perovskite/silicon tandem solar cells with 25.2% power conversion efficiency C. Ballif
2023 Efficient Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells on Industrially Compatible Textured Silicon H. Tan
2023 Buried-Interface Engineering of Conformal 2D/3D Perovskite Heterojunction for Efficient Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells on Industrially Textured Silicon K. Yao
2023 Interface passivation for 31.25%-efficient perovskite/silicon tandem solar cells C. Ballif
2023 Inorganic Framework Composition Engineering for Scalable Fabrication of Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells H. Tan
突破性成果：全紋理串聯(lián)太陽能電池效率再創(chuàng)新高
創(chuàng)新策略：動態(tài)噴涂技術助力表面鈍化
該研究團隊開發(fā)了一種全新的表面鈍化策略，利用動態(tài)噴涂 (DSC) 技術將氟化噻吩乙胺配體均勻地涂覆在紋理硅表面。該技術具有以下優(yōu)勢：
l 均勻覆蓋： DSC 技術可以實現(xiàn)對紋理表面的均勻覆蓋，有效地鈍化界面缺陷。
l 抑制相變： 氟化噻吩乙胺配體可以抑制鈣鈦礦的相變，并提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量。16 平方厘米的開孔面積，效率達到 26.3%。
精準調(diào)控：三氟甲基取代，提升鈍化效果
研究人員從分子工程的角度出發(fā)，通過理論計算和實驗結(jié)果證實，引入三氟甲基取代基可以形成偶極層，增強配體與鈣鈦礦表面的相互作用，并優(yōu)化能級匹配，從而實現(xiàn)更有效的表面鈍化。
該團隊利用 DSC 技術對氟化噻吩乙胺配體進行表面處理，成功制備了基于工業(yè)化硅晶片的全紋理鈣鈦礦/硅串聯(lián)太陽能電池。最終，該器件實現(xiàn)了 30.89% 的認證穩(wěn)定功率轉(zhuǎn)換效率，創(chuàng)造了新的世界紀錄。此外，封裝的器件在連續(xù)光照 600 小時后仍能保持 97% 以上的初始性能，展現(xiàn)出優(yōu)異的工作穩(wěn)定性。
總結(jié)與展望
該研究成果為制備高效穩(wěn)定的全紋理鈣鈦礦/硅串聯(lián)太陽能電池提供了新的思路，為實現(xiàn)大規(guī)模的串聯(lián)太陽能電池模塊化生產(chǎn)奠定了堅實的基礎。該研究團隊利用動態(tài)噴涂技術和分子工程策略，實現(xiàn)了對鈣鈦礦界面缺陷的精準調(diào)控，并成功克服了傳統(tǒng)表面工程策略在紋理表面應用的局限性。
未來，可以通過進一步優(yōu)化配體分子和表面處理技術，進一步提升串聯(lián)太陽能電池的效率和穩(wěn)定性，推動其在光伏領域的廣泛應用。
Fig S19. 控制組和 DSC 處理器件的高靈敏度 EQE 譜圖。
Fig S20.在 1 個太陽光照下測量的 c-Si 異質(zhì)結(jié)底部電池 (2.5 × 2.5 cm2) 的 J-V 曲線。 由于切割造成的損壞，與整個晶片相比，小尺寸底部電池的器件性能略低。
本參數(shù)采用光焱科技QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率測量解決方案
參考文獻: Surface Molecular Engineering for Fully Textured Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells. Angew. Chem
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