當鈣鈦礦遇到多晶硅隧穿結

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近年來，國內對鈣鈦礦電池技術和產業化研究持續加深，相關領域的理論突破也頗受關注。鈣鈦礦晶硅疊層太陽電池，以其具有超過單結電池Shockley-Queisser理論極限的超高效率和成本優勢，近年來成為光伏領域的研究熱點。

通過科學家近10年的努力，鈣鈦礦晶硅疊層太陽能電池的光電轉換效率，已從最初的13.7%提升至目前的33.97%，但要再上一個臺階并不容易。

中國科學院寧波材料技術與工程研究所（以下簡稱寧波材料所）硅基太陽能及寬禁帶半導體科研團隊，在葉繼春研究員帶領下，近期在鈣鈦礦/晶硅疊層太陽電池的中間層設計和制備方面取得了重要進展。相關成果日前發表在《自然—能源》。

該成果日在在線發表于《自然—能源》。期刊網頁截圖

鈣鈦礦TOPCon疊層電池效率可達29.22%

上述文章共同第一作者、共同通訊作者、寧波材料所研究人員楊陣海告訴《中國科學報》，疊層器件效率的進一步提升，需要對鈣鈦礦頂電池、中間復合層以及晶硅底電池進行更全方位高效的優化設計。

鈣鈦礦晶硅疊層太陽能電池，目前通常采用透明導電金屬氧化物薄膜（ITO）作為中間復合層，然而ITO在制備過程中存在濺射損傷等問題。因此，開發高效的中間復合層對提升鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池的效率和加速其產業化進程至關重要。

日前，寧波材料所硅基太陽能及寬禁帶半導體科研團隊，在前期晶硅、鈣鈦礦和疊層電池研究的基礎上，在鈣鈦礦/晶硅疊層太陽電池的中間層設計和制備方面取得了重要進展。

研究人員將具有隧穿特性的p型多晶硅/n型多晶硅結構取代傳統ITO中間層，引入到疊層電池，成功制備出效率達到29.22%的疊層鈣鈦礦/隧穿氧鈍化接觸太陽能電池（TOPCon）疊層電池，從制備工藝的復雜性到制造成本都有所簡化，并且通過半定量測定證明了這種疊層器件具有良好的穩定性。

“疊層電池，就是把兩個具有不同帶隙的電池上下疊起來。過去兩層電池都是采用透明電極串聯在一起，我們的研究是把多晶硅隧穿結這種結構首次應用在了鈣鈦礦/晶硅疊層電池中。”楊陣海解釋道。

為疊層中間層設計和電池性能提升提供新途徑

該工作以《用于高效鈣鈦礦/隧道隧穿氧化物硅鈍化接觸串聯太陽能電池的多晶硅隧道隧穿復合層》為題日前發表在《自然—能源》。在這篇文章里，作者還通過理論計算，研究了隧穿的機制，并闡述了高效的遂穿隧穿結應該怎么如何設計。

“如何通過摻雜控制中間層的隧穿和復合效率至關重要。”楊陣海介紹，這項工作對于中間層的設計，及相關機理研究為鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池的性能提升提供了新的途徑，其設計思路同樣也適用于以異質結作為底電池的鈣鈦礦/晶硅疊層電池。

從提出思路、實驗驗證到機制探究，這個成果的突破，楊陣海也感慨，正是由于葉繼春研究員帶領的硅基太陽能及寬禁帶半導體科研團隊在相關方向已有多年積累才得以實現，也感謝課題組成員的共同努力和堅持。

這個團隊在光伏領域，從成熟的晶硅，到主流的TOPCcon，到新型的鈣鈦礦，到效率更高的疊層電池，都有研究力量分布，“屬于難得的全面”。楊陣海認為。

“刺激一下”接著干

鈣鈦礦/晶硅串聯太陽能電池已經迅速發展。盡管提高器件效率的努力主要集中在頂部鈣鈦礦子電池的改進上，但連接頂部和底部子電池的復合層對于器件效率進一步提升也的進展至關重要。

也正是因此，該工作獲得了期刊編輯和審稿人的高度認可。

《自然—能源》高級編輯Giulia Tregnago認為，具有TOPCon結構的硅太陽能電池具有巨大的已經被工業界廣泛運用興趣，這項工作拓寬了該技術的應用范圍，：基于多晶硅的互連層適用于基于TOPCon器件結構的串聯太陽能電池，并與頂部鈣鈦礦頂部子電池的電荷傳輸層兼容。

“最重要的是，這項工作表明，基于自組裝單分子層的鈣鈦礦電池的空穴選擇性接觸傳輸層，可以直接在氧化硼摻雜的多晶硅薄膜上形成。” 德國漢諾威萊布尼茨大學研究人員Robby Peibst教授強調，“這一發現具有潛在的意義，因為具有鈍化SiOx氧化硅/多晶硅鈍化接觸的晶硅太陽能電池，正成為光伏的新主力，其在不需要額外透明導電氧化物復合層的情況下，用于鈣鈦礦/晶硅串聯太陽電池的平臺作為硅子電池是非常有吸引力的。”

當然該成果也存在當前的局限性，比如局限在高溫工藝，比如雙面TOPCon底電池的開壓還不夠高局限在中間層為平面，要讓成果有朝一日能夠被廣泛應用在生產中，相關研究還大有可為。科研創新的路從來不平坦，在下一個難題面前，楊陣海也許會和以前一樣，訂一份水煮魚外賣“刺激一下”，緩過勁兒了接著干。

相關論文信息：http://doi.org/10.1038/s41560-023-01382-w