33.9%效率！全面解析晶硅/钙钛矿叠层电池效率影响因素及优化方案

隆基在2023年10月创造了晶硅-钙钛矿叠层太阳能电池的最新效率记录，达到了33.9%，这是目前光伏技术显著飞跃的顶峰。这一记录超过了阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的先前基准，是自2022年末以来创下的几个超过单结硅太阳能电池Shockley Queisser（S-Q）极限的记录之一。

由于光学、热和电子损失，商业上可行的单结硅太阳能电池不太可能具有接近S-Q极限的效率。但如今硅太阳能电池技术的不断改进（如钝化技术、先进的光捕获等）正在提高其效率。

本文将探讨多结太阳能电池的基础，并解释如何利用光学和电学模拟优化叠层太阳能电池性能。

硅基单结光伏组件占光伏市场的95%。目前可用的最高效太阳能电池的效率为26.8%，而S-Q理论极限约为32%。带隙的性质（直接或间接）影响被吸收光子的数量。硅的间接带隙对这些太阳能电池的理想效率是一个很大的限制。以下三种类型的损耗限制了太阳能电池的效率：

• 光学：能量低于带隙的光子不会被吸收。带隙越高，未吸收光子的量就越高（约占硅太阳能电池总损耗的19%）。
• 热：能量超过带隙（E>Eg）的光子被吸收。产生的载流子正在向下加热到带边缘。多余的能量作为热量释放到太阳能电池（约占硅太阳能电池总损耗的33%）。
• 电子：辐射电荷复合引起的损失，即电荷对复合，最终发射光子。（约占硅太阳能电池总损耗的15%）。等温损耗是一种额外的电子贡献，这些损耗是由于沿着带边缘的功率耗散而引起，带边缘是等温曲线（载体的恒定温度）。

总的来说，这些损失导致大约68%的阳光没有转化为电能。商业硅太阳能电池板的效率进一步被限制在20%左右，这是由于电池的大面积非理想性所造成的损失。

• 热载流子太阳能电池在多余的能量转化为热量之前提取高能电荷。
• 中间带隙太阳能电池在不降低电压的情况下吸收能量小于带隙的光子。中间带（IB）能级位于导带和价带之间，IB允许能量小于带隙的光子将电荷从价带激发到传导带。
• 太阳能电池中的多个激子代由单个高能光子产生多个电荷载流子。

从理论上讲，以上所提出的解决方案应该可以提高硅太阳能电池的效率，但它们很少用于商业光伏。

传统的太阳能电池具有单个PN结，即p和n掺杂半导体层的组合。相反类型的掺杂会产生一个内部电场，促进光生电荷提取。多结太阳能电池有两个或多个结，每个结吸收不同的波长。结越多，吸收的太阳光谱部分就越大，从而产生更高的理论效率。

具有无限多结的太阳能电池理论效率高达86.8%。目前世界上最高效的太阳能电池在集中照明下的效率为47.6%，它由4个结组成。在标准的Global Spectrum下，三结太阳能电池的效率达到了39.5%。这两种创纪录的太阳能电池都具有由三-五半导体构成的光吸收材料。这些先进的太阳能电池比硅太阳能电池贵多倍，它们的使用大多局限于特殊应用，如空间应用，其中成本比重量等其他方面的问题小。

只有两种吸收材料的多结太阳能电池就是所谓的叠层太阳能电池，它是“标准”商业用途中最有趣的选择。它们可以用四个或两个电极制造，也称为四端子和两端子叠层配置。三端叠层是第三种正逐渐被熟知的触点变体。在四端叠层太阳能电池中，两个子电池是独立制造的，并且彼此电隔离，子电池要么机械堆叠，要么与分光器耦合，分光器本质上是一组透镜，用于将光引导到适当的子电池。然而，由于多个基板、复杂的组装和布线，这种配置具有相当大的来自非活性层的寄生吸收和反射，并且具有更高的总体材料成本。

在双端叠层太阳能电池中，子电池是电连接的，并且必须是电流匹配以避免复合损失。这种配置是通过机械堆叠子电池或通过添加透明导电层（也称为复合层）获得的，该透明导电层对于在子电池之间形成欧姆接触至关重要。这种配置需要更少的布线并且易于安装，但制造过程具有挑战性，因为必须在不损坏底部电池的情况下沉积顶部电池。此外，随着太阳光谱的日变化和季节变化，目前的匹配要求并不总是得到满足。

三端叠层在两个子电池之间具有中间接触点，避免了如在两端叠层中那样的叠层结和电流匹配需要。然而，与2端和4端太阳能电池相比，这些器件的探索较少。

四端和两端叠层太阳能电池在标准光强度和AM1.5G下的最高理论效率分别为46%和45.7%。双端叠层PV具有更少的带隙组合以达到最高效率，因为它们需要电匹配和光匹配，而四端叠层PV仅需要光匹配，从而允许顶部单元的带隙有更大的变化。这两种解决方案有着各自的好处，哪一种最佳目前尚不清楚。

到目前为止，我们假设照明只照射在顶部子电池上。值得一提的是双面叠层太阳能电池。这些有趣的解决方案收集照射在太阳能电池背面的光辐射，增加了被活性层吸收的光子总量。

研究最广泛的叠层太阳能电池是硅/钙钛矿，其中硅是底部的子电池。硅的带隙为1.12 eV。为了最大限度地提高效率，顶部电池的理想带隙应在1.67至1.75 eV之间。钙钛矿是顶部电池的最佳解决方案，因为它们可以设计成带隙在1.15至3.1 eV之间，可在低温下通过旋涂等溶液工艺方法沉积，避免了在制造双端太阳能电池的过程中对底部电池造成损坏。此外，钙钛矿具有直接的带隙和较强的光吸收系数。因此，大约500nm的厚度足以满足钙钛矿子电池的需求。相比之下，由于其间接带隙和低吸收系数，硅层的厚度几乎是钙钛矿的一千倍。

如今已经开发了几种策略来增加硅子电池的光吸收。纹理表面的使用（图11）是最常用的技术之一。然而，确定这种表面的最佳粗糙度是一个复杂的过程，仅通过实验反复试验是无法实现的。然而通过计算机模拟，例如光学模拟仿真可以了解到，通过添加纹理界面可以从两端硅钙钛矿叠层太阳能电池中回复多少电流。该模拟如图12所示，并使用Setfos模拟仿真软件进行。

通过使用光学模拟模型，该模型结合了波动光学来计算相干薄膜组件的反射和透射，利用射线光学来评估纹理界面的角散射特性，以及使用该信息量化整个层堆叠中光传播的净辐射算法。

钙钛矿/硅叠层太阳能电池的独立光学模拟仿真和组合光电模拟仿真对于创新光伏技术的发展尤为重要。模拟仿真有助于理解叠层光伏的光学特性和电学特性之间的关系。根据模拟的全栈吸收率可以计算出器件的光电流。从没有纹理界面的平面器件开始，抗反射涂层的添加提高了钙钛矿和硅吸收剂在500至1000nm波长下的吸收。在大于750nm波长的光吸收方面，硅亚电池两侧的纹理化带来了明显的改善。与平面器件相比，电流增加了近23%。硅尤其受益于光管理策略，而钙钛矿由于其高吸收系数不需要这种处理。

然而，在纹理表面上旋涂钙钛矿会导致不均匀沉积和空穴的形成。解决方案包括减小织构尺寸并沉积更厚的钙钛矿层，或者沉积与硅子电池的织构一致的钙钛矿。

这两种方法在2022年创造了硅钙钛矿叠层太阳能电池的最高效率记录。对于在两个子电池之间具有纳米结构的平坦化叠层太阳能电池，获得了32.5%的创纪录效率，改善了光管理和钙钛矿吸收体的沉积质量。对于具有微米结构和共形沉积钙钛矿的叠层电池，最高认证效率为31.3%。

充分利用太阳能电池需要良好的光管理，并通过界面处的复合来限制损失。钙钛矿和传输层电荷之间界面处的非辐射复合是性能损失的典型来源。

使用Setfos模拟仿真（图15）表明，随着钙钛矿界面缺陷密度的增加，开路电压（Voc）显著降低。为了补偿载流子的损失，钙钛矿厚度应从光学模拟推断的最佳厚度值增加至30 nm。

随着研究的不断推进，我们可以期待看到太阳能电池技术的更多创新解决方案和改进，推动我们走向可持续和更高效的能源未来。