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丁凯宁博士《Nature Energy》:认证效率高达24%的晶体硅太阳能电池!

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高分子科学前沿 2021-04-18 13:27

2019年,约3%的全球电力需求由光伏发电产生的电力满足,其中绝大多数来自晶体硅(c-Si)太阳能电池的贡献。c-Si太阳能电池占整个光伏市场份额的95%,未来几十年仍将是市场主流的光伏技术。然而,目前大多数c-Si太阳能电池的最大功率转换效率(PCE)仅为23%左右,远低于理论值29.4%。制约c-Si太阳能电池的PCE的主要因素是扩散电极发射极区域以及接触金属与硅晶片直接接触,该接触向硅-金属界面引入高密度的活性电子态,导致光生电子和空穴的复合损失。

因此,避免扩散的发射极区域和直接的金属吸收体触点(通常称为钝化触点)的器件设计是进一步提高PCE的关键因素,而钝化接触技术的开发也迫在眉睫。通过晶体硅的钝化接触,有望突破重掺杂和直接金属化对光电转化效率的限制,提高c-Si太阳能电池效率。

通常,在硅片和上覆金属端子之间加入钝化薄膜(氧化硅,SiOx;或氢化非晶硅,a-Si:H),能减少接触复合损失。尽管这些方法可以实现高效率(> 23.5%),但是仍然很难获得同时兼具高导电性、出色的表面钝化和高光学透明性的高透明钝化触点(TPC)

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为了应对这一挑战,德国于利希IEK-5光伏研究中心的丁凯宁博士、Kaifu Qiu、Manuel Pomaska、Malte Köhler等人展示了一种独特的TPC层设计,以同时实现出色的表面钝化和高导电性。该TPC层由一个湿化学法生长的SiO 2隧道薄层,两个在不同温度下热-线化学气相沉积(HWCVD)的氢化纳米晶碳化硅层(nc-SiC:H(n)),以及一个溅射铟锡氧化物(ITO)层组成。基于该设计,丁博士及其同事组装的太阳能电池原型在实验室中实现了23.99±0.29%的高转换效率,并经过哈默尔恩太阳能研究所(ISFH)的CalTeC独立实验室的认证。研究成果以“A silicon carbide-based highly transparent passivating contact for crystalline silicon solar cells approaching efficiencies of 24%”为题,于2021年4月15日发表在《Nature Energy》上。

文章亮点

1. 通过HWCVD方法生长的nc-SiC:H(n)层具有较宽的带隙(2.7-3 eV),从而确保了高光学透明性;

2. 引入nc-SiC:H(n)叠层的设计实现了良好的钝化和高电导率,从而提高了太阳能电池的短路电流密度40.87 mA cm-2),填充系数80.9%),PCE为23.99±0.29%(已认证)。

3. 研究人员进一步探究了TPC的钝化机理和工作原理,并在数值模拟的基础上进行了损耗分析。仿真结果表明,使用TPC技术可以实现超过26%的效率

值得一提的是,该研究中透明TPC层的设计为生产效率超过26%的硅太阳能电池铺平了道路。

尤利希工作组负责人丁凯宁博士表示:“到目前为止,没有其他方法可以将钝化、透明性和导电性这三个属性以及我们的新设计结合在一起。”

此外,丁博士还强调了该工作相对于其他研究方法的优势:我们在制造过程中使用了可以相对快速地集成到批量生产中的低温工艺避免了额外的氢化或高温后沉积退火步骤。通过这种策略,Jülich的科学家无需太多努力,即可从实验室发展到大规模生产工业太阳能电池。

参考文献:

Köhler, M., Pomaska, M., Procel, P. et al. A silicon carbide-based highly transparent passivating contact for crystalline silicon solar cells approaching efficiencies of 24%. Nat Energy (2021). https://doi.org/10.1038/s41560-021-00806-9

来源:高分子科学前沿

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