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IBC-PSC叉指背接触钙钛矿太阳能电池结构模拟,清华大学Nano Res. Energy期刊
日期:2024-11-08浏览量:
钙钛矿太阳能电池(PSCs)作为第四代光伏技术,近年来在光电转换效率(PCEs)和电池工业化方面取得了显著进展。钙钛矿吸收层结合了有机和无机半导体的优势,具有高缺陷容忍度、可调谐光吸收、高载流子分离效率以及低加工温度等独特优势。
TOPCon、HIT和IBC三种类型的太阳能电池
三种硅光伏技术的代表性电池结构
TOPCon:这是一种n型硅太阳能电池技术,其中SiOx层作为n-Si和多晶硅之间的中介层,有效解决了PERC电池中的接触损失问题。
HIT:这种电池使用氢化非晶硅(a-Si)作为晶圆钝化剂,有助于制造超薄太阳能电池,并且与PERC和TOPCon相比,其电池光电电压与界面缺陷高度相关,得到了显著改善。
IBC:IBC设计将所有的金属栅格转移到电池的背面,以最大化光吸收。为了确保背面的双极性载流子提取,重掺杂的p型和n型层交替图案化,驱动光生载流子在多个准横向内建电场下分离。
背接触设计
IBC和q-IBC钙钛矿电池结构和工作原理
IBC:在这种设计中,电极以条纹模式沉积,电子传输层(ETL)和空穴传输层(HTL)交替沉积在电极上,并且完全覆盖电极以避免金属接触损失。钙钛矿吸收层最后沉积以完成IBC设备的制造。还会引入一个封装层以保护钙钛矿表面,隔离外部湿气,并减少入射反射。
q-IBC:这是IBC的一个衍生结构,旨在简化设备处理。部分电极和传输层没有图案化,而是使用隔离器阵列来加载另一部分电极和传输层,显著减少了沉积要求和后接线的难度。
背接触设计的关键优势在于最大化光吸收和提高载流子收集效率,同时减少寄生吸收和死区损失。通过这种设计,可以实现更高的光电转换效率和更好的电池性能。
不同类型的钙钛矿太阳能电池(PSC)
不同钙钛矿太阳能电池及结构
传统钙钛矿电池结构
继承自薄膜光伏电池,采用激光划刻技术实现子电池的串联连接。具体通过对透明导电膜、电池堆叠层和顶部金属电极进行三次激光划刻,使一个子电池的正极与相邻子电池的负极实现电连接。
凹槽背接触钙钛矿电池结构
2019 年提出,不使用激光划刻技术,基于凹槽结构,在凹槽底部自然形成断点,通过电极和传输层的掩膜沉积实现子电池的电连接。每个凹槽填充钙钛矿作为光吸收层,相当于传统结构旋转 90°。
凹槽图案化到微米级需要更高的光刻或蚀刻精度,并且在微尺度起伏基底上沉积电极和传输层时,对沉积角度和速度的精确控制是保证膜质量的关键。
平面背接触钙钛矿电池结构
缩短了凹槽电池中弯曲电极的长度,降低了电阻损耗,有助于提高填充因子和效率;沉积的钙钛矿吸收层连续且平坦,有利于膜表面的钝化处理或表面封装层(或功能层、第三电极等)的平滑制备;无死区,有效面积可提高到窗口面积的99%以上,显著增加了每个电池的功率输出。
背接触结构的工作原理
相邻电极之间建立横向电场,光生电子或空穴载流子流向相应的电荷选择层,从而产生电流流过整个单元电池。每个单元电池通过底层电极串联连接,与传统 IBC 电池相比,可输出更高的电压,有望应用于需要高压驱动的特定应用和电器中。
背接触钙钛矿太阳能电池的优化
平面背接触聚光太阳能电池组件的优化
(a)结构参数(b)表面结构优化(c)第三电极优化(d)抗反射优化
平面背接触PSC电池的截面示意图,w1决定了子电池的数量和活性面积,应根据模块产品的输出要求确定。h1应尽可能小以保证足够的吸收;w2应尽可能窄以满足刻蚀/光刻限制;h2应尽可能高以考虑材料成本。
图中提出了一种优化的钙钛矿吸收层表面结构,以确保无论光生载流子在何处生成,都能保证一致的传输距离。将表面封装层作为第三电极以构建所需的电场,以增强或减弱载流子传输的可能性。通过精确控制封装层,可以实现出色的抗反射效果,从而优化载流子的行为。
从电池结构角度综述了光伏领域热门的IBC电池,讨论了其在钙钛矿太阳能电池中的两类设计,并提出背接触钙钛矿电池。优化功能层结构尺寸、采用图案化表面及表面策略可提升性能,在推动钙钛矿光伏技术发展方面极具创新和生产价值,有望提升钙钛矿技术在光伏市场的竞争力。
美能钙钛矿膜厚测试仪
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n 膜厚测试范围:20nm~2000nm
n 膜厚测试精度:±1nm
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原文出处:Back-contact configuration energizes perovskite photovoltaic modules;https://doi.org/10.26599/NRE.2024.9120111