钙钛矿/晶硅叠层太阳电池，以其具有超过单结电池Shockley-Queisser理论极限的超高效率和成本优势，近年来成为光伏领域的研究热点。通过近10年的努力，钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的光电转换效率已从最初的13.7%提升至目前的33.7%。然而，叠层器件效率的进一步提升需要对钙钛矿顶电池、中间复合层以及晶硅底电池进行更高效的优化设计。目前，钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池通常采用透明导电金属氧化物薄膜（ITO）作为中间复合层，然而ITO在制备过程中存在溅射损伤等问题。因此，开发高效的中间复合层对提升钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的效率和加速产业化进程至关重要。
中国科学院宁波材料技术与工程研究所硅基太阳能及宽禁带半导体科研团队在叶继春研究员的带领下，在前期晶硅、钙钛矿和叠层电池研究的基础上（Joule 2022, 6, 2644; Nat. Commun. 2023, 14, 2166; Energy Environ. Sci. 2021, 14, 6406; Adv. Mater. 2023, e2211962; Adv. Mater. 2023, 2302071; Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2203006; Adv. Funct. Mater. 2023, 2304708; Adv. Funct. Mater. 2022, 2110698; Nano Energy 2022, 100, 107529; Small 2023, 2304348; J. Mater. Chem. A 2023,11, 6556; J. Mater. Chem. A 2023,11, 11866; Sol. Energy Mater. Sol. C 2022, 238, 111586），近期在钙钛矿/晶硅叠层太阳电池的中间层设计和制备方面取得了重要进展。
在这项研究中，团队创新性地将具有隧穿特性的p型多晶硅/n型多晶硅结构引入到叠层电池，用以取代传统ITO中间层，成功制备出效率高达29.22%的钙钛矿/TOPCon叠层电池，并且这种叠层器件表现出良好的稳定性（如图1）。相较于传统的ITO中间复合层，这种新型隧穿复合层具有以下优势：1）通过有效抑制p型多晶硅中硼和/n型多晶硅中磷掺杂剂的相互扩散和补偿，新型隧穿结的TOPCon结构展示出优异的钝化和接触性能（如图2）。此外，这种新型隧穿结的TOPCon电池与传统TOPCon电池相比，其开路电压提升了8mV，这表明增加一层p型多晶硅可以保持TOPCon电池的高性能。2）对于钙钛矿顶电池，通过第一性原理计算、红外和XPS等测试证实钙钛矿顶电池的MeO-2PACz空穴传输层更容易吸附在p型多晶硅上（如图3），从而有助于对顶电池载流子的提取。3）通过UPS等测试证实p型多晶硅具有比传统ITO更高的功函数，可以进一步增强载流子传输和提取能力（如图4）。
此外，通过详细的有限元仿真，研究人员对这种隧穿叠层电池的载流子传输和复合机制进行了全面剖析（如图5）。研究表明，这种隧穿复合层以陷阱辅助复合隧穿和带带隧穿为主。当多晶硅的掺杂浓度较低时（＜4×1019 cm-3），p型多晶硅的价带和n型多晶硅的导带不会发生交叠，因此不会触发带带隧穿，此时陷阱辅助复合隧穿占主导。这种情况下，较高的缺陷浓度有助于陷阱辅助复合隧穿效应，从而提升叠层电池性能。当多晶硅的掺杂浓度较高时（＞4×1019 cm-3），p型多晶硅的价带和n型多晶硅的导带发生交叠，触发带带隧穿，此时带带隧穿占主导。相比于陷阱辅助复合隧穿，带带隧穿更有利于获得更高的填充因子和效率。因此，如何通过掺杂控制中间层的隧穿和复合效率至关重要。这项工作对于中间层的设计及相关机理研究为钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的性能提升提供了新的途径，其设计思路同样也适用于以异质结作为底电池的钙钛矿叠层电池。
该工作以“Polycrystalline silicon tunnelling recombination layers for high-efficiency perovskite/tunnel oxide passivating contact tandem solar cells”为题发表在能源顶级期刊Nature Energy (doi.org/10.1038/s41560-023-01382-w)。宁波材料所2018级直博生郑晶茗、应智琴博士后、杨阵海为共同第一作者，苏州大学李孝峰教授，宁波材料所杨阵海、杨熹副研究员和叶继春研究员为本文共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（61974178、61874177、62004199）、浙江能源集团项目（No. znkj-2018-118）、国家重点研发项目（2022YFB4200901）、宁波市“创新2025”重大工程（2022Z114、2020Z098）、浙江省重点研发项目（2021C01006）、辽宁省科技项目（2021JH1/10400104）和青年创新促进会（2018333）的等项目支持。感谢苏州大学李孝峰教授和北大深圳研究院林泽东博士后在理论方面给予的支持。
图1 隧穿复合结微观形貌及叠层器件性能
图2 隧穿复合结内扩散分布、能带图及钝化接触性能
图3 MeO-2PACz吸附增强的理论和实验验证
图4 隧穿复合层增强钙钛矿顶电池载流子传输和提取能力的测试结果
图5 具有隧穿结叠层电池的数值仿真及机理解释
(来源:中国科学院宁波材料技术与工程研究所)
