影响钙钛矿/异质结叠层太阳能电池效率及稳定性的关键问题与解决方法

高效且稳定的钙钛矿/异质结叠层太阳能电池是学术界与工业界共同探索的方向,目前小面积叠层太阳能电池效率优势已然非常明显,但在商业化推进过程中,叠层路线在电池结构设计与界面调控、钙钛矿材料选型与优化、器件尺寸放大以及稳定性等方面仍存在许多挑战.本文通过收集相关文献资料,包括实验数据和理论模拟结果,对钙钛矿/异质结叠层太阳能电池的研究现状进行分析,认为未来的研究方向可能涉及叠层顶电池的界面调控及组件互联结构设计等关键问题.因此,文章重点阐述钙钛矿/异质结叠层太阳能电池各关键材料层的优化选型、钙钛矿带隙优化与离子迁移抑制、层间界面传输调控、底电池连接层优化及组件互联与封装方式优化.基于现有研究成果对叠层太阳能电池技术进行了总结和探索展望,旨在为后续叠层太阳能电池结构设计的各关键问题提供方向性解决建议.

体相异质结型有机太阳能电池的研究进展

基于电子给/受体共混体系制备的体相异质结型有机太阳能电池是一种低耗、高效的有机光伏器件。作为器件核心,光电转化共混活性层的质量优劣会直接影响器件的能量转换效率。研究发现,不同的给/受体材料组成、2种材料的共混比例、共溶剂的选择以及器件的热退火处理等因素都可影响到活性层质量。结合上述研究热点,综述了体相异质结型有机太阳能电池近年来的研究进展,阐述了该研究领域下一步发展的重点、趋势及前景。

二噻吩并吡咯-苯并噻二唑D-A型共轭齐聚物的合成、表征及其在体相异质结太阳能电池中的应用

以二噻吩[3,2-b:2′,3′-d]并吡咯为电子给体单元、2,1,3-苯并噻二唑为电子受体单元,通过Stille偶联反应合成了4个含不同烷基取代基的给体-受体(D-A)型共轭齐聚物,即O-D3,O-D2P1,O-D1P2和O-P3,它们分别含有3～0个正十二烷基(D=dodecyl)和0～3个支化烷基链戊基己基(P=1-pentylhexyl).该系列齐聚物在薄膜状态下的吸收光谱与在溶液状态下的吸收光谱相比发生显著红移,且吸收波长主要位于500～800 nm.以该系列齐聚物为给体材料制备的体相异质结太阳能电池器件的性能与烷基链结构相关,支化烷基链含量越高,器件性能越好.含0～3个戊基己基的齐聚物的器件能量转换效率分别为0.66%,0.74%,0.75%和1.33%.

p-a-SiC:H降低晶体硅异质结太阳能电池寄生损失的研究

使用宽带隙的p型氢化非晶硅碳(p-a-SiC:H)薄膜作为晶体硅异质结(SHJ)太阳能电池的窗口层,使用时域有限差分法(FDTD)模拟证明,p-a-SiC:H不仅能明显降低窗口层的短波寄生吸收损失,而且可以减少SHJ太阳能电池的反射损失,从而增强SHJ太阳能电池的光谱响应。实验结果也证明,使用优化的p-a-SiC:H窗口层可以提升SHJ太阳能电池的短路电流(J_(sc))达1.4 mA/cm^(2),电池光电转化效率达到了21.8%。这主要是由于p-a-SiC:H低的寄生吸收以及使用p-a-SiC:H窗口层降低了SHJ太阳能电池的反射损失所致。

第一性原理研究太阳能电池和光催化水解析氢二维异质结性能

基于第一性原理计算研究异质结太阳能电池和光催化水解析氢的载流子转移机理、效率和非绝热动力学等方面都取得了较多成果。虽然还存在准确性方面的局限,但基本建立起了结构和性能的关系,能够对异质结的太阳能转氢率和太阳能电池的能量转换率进行理论预测,为实验制备提供候选物和设计思路。本文主要关注基于第一性原理计算研究异质结方法及其应用的进展,总结不同类型的异质结的能带排列及电荷转移机制方面的特点及理论评估其性能的方法,并讨论基于原子结构设计调控异质结性能的方式,展望了第一性原理计算在发展光催化及太阳能电池材料中的应用前景,为通过计算研究基于异质结的光催化剂和太阳能电池材料的微观结构提供方法和思路。

基于光子晶体异质结的高效太阳能电池反射器研究

设计了一种可用于太阳能电池反射器的二维三角晶格光子晶体异质结结构.采用传输矩阵法对该结构在可见至近红外波长范围入射电磁波的反射率进行了模拟计算,并比较了不同入射方向下反射率的变化.结果表明,光线垂直入射时,该结构光子晶体对近红外波段入射光可实现完全反射;随着偏转角度的增大,在整个可见-近红外波段均显示出极高的反射特性.该结构有望用于制作覆盖整个可见光-近红外波段的高效全方位反射器.

高效率n-nc-Si:H/p-c-Si异质结太阳能电池

采用热丝化学气相沉积技术(HWCVD),系统地研究了纳米晶硅层(尤其是本征缓冲层)的晶化度以及晶体硅表面氢处理时间对nc-Si∶H/c-Si异质结太阳能电池性能的影响,通过C-V和C-F测试分析了不同氢处理时间和本征缓冲层氢稀释度对nc-Si∶H/c-Si界面缺陷态的影响,运用高分辨透射电镜观察了不同的本征缓冲层晶化度的nc-Si∶H/c-Si异质结太阳能电池的界面,优化工艺参数,在p型CZ晶体硅衬底上制备出转换效率为17·27%的n-nc-Si∶H/i-nc-Si∶H/p-c-Si异质结电池.

聚合物本体异质结型太阳能电池研究进展

聚合物本体异质结型太阳能电池是一种基于电子给体 /受体混合物薄膜的高效率有机光伏器件。文中介绍了近年来聚合物本体异质结型太阳能电池的最新研究进展 。

硅基铝掺杂氧化锌异质结太阳能电池的制备与性能研究

本文以绒面处理的P型硅(111)为衬底,利用磁控溅射、蒸发镀膜和热氧化等技术制备Al/P(cryst-Si∶H)/N(Al-Doped ZnO)/ITO结构的异质结太阳能电池,探讨ZnO薄膜的表面形貌、晶体结构以及衬底的可见光反射率等因素对其光电转化性能的影响。扫描电子显微镜分析显示,氧化锌薄膜是具有大量晶界的多孔隙结构。X射线衍射测试表明,氧化锌薄膜为六方纤锌矿晶体结构。太阳能电池的I-V特性测试显示,在绒面处理的硅基上制备的ZnO异质结太阳能电池具有较好的光伏特性,开路电压VOC为328 mV,短路电流密度JSC为5.83 mA/cm2,填充因子FF为0.602。

a-SiC/c-Si异质结太阳能电池设计分析

通过应用 Scharfetter- Gum mel解法数值求解 Poisson方程 ,对热平衡态 a- Si C/ c- Si异质结太阳能电池进行计算机数值模拟 ,详细分析不同制备条件下 a- Si C/ c- Si异质结太阳能电池的能带结构和电池中电场强度分布 ,指出采用更薄 p+ ( a- Si C∶ H)薄膜和在 pn异质结嵌入 i( a- Si∶ H)缓冲薄层设计能有效增强光生载流子的传输与收集 ,从而提高 a- Si C/ c- Si异质结太阳能电池的性能 ,而高强度光照射下模拟计算表明 ,a- Si C/ c-

有机p-n异质结固态太阳能电池中的激子和载流子输运

在实验工作的基础上，提出了双层ｐ－ｎ异质结有机太阳能电池中激子和载流子输运的理论模型，假设只有扩散到结区的激子和该区产生的激子，才对形成光电流有贡献。这些激子被有机／有机界面的内建场离解成自由载流子。而后，电子在红（ｎ型有机半导体）层传导，空穴在酞菁（ｐ型有机半导体）层传导。据此，讨论了在红／酞菁异质结电池中，红（Ｍｅ－ＰＴＣ）层和铝氯酞菁（ＣｌＡｌＰｃ）层之间的Ｆｏｒｓｔｅｒ能量转移以及填充因子和光电转换效率均较单层肖特基型电池获得改善的机制。

平面型给-受体共轭聚合物的合成及在体异质结聚合物太阳能电池中的应用

设计合成了主链为聚2,8-{5,11-二烷基吲哚[3,2-b]咔唑}-4,7-二[2,5-噻吩]-5,6-二烷氧基-2,1,3-苯并噻二唑,具有不同侧链的2种平面型给-受体共轭聚合物(QP-2和QP-3),研究了其热学、光物理和光伏性质.用聚合物-PC71BM([6,6]-苯基C71丁酸甲酯)共混物作为活性层构筑了本体异质结聚合物太阳能电池.其中以QP-3为给体、以PC71BM为受体的光伏电池能量转换效率最高达到2.59%,开路电压为0.72 V,短路电流为9.24 mA/cm2,填充因子为0.38.XRD结果表明,平面型共轭聚合物具有较好的结晶性,原子力显微镜(AFM)显示平面型共轭聚合物易于发生微观相分离.

微晶硅/晶体硅/微晶硅异质结太阳能电池窗口层的模拟计算与优化

采用Afors-het太阳能电池异质结模拟软件,模拟了不同工作温度下,微晶硅窗口层对μc-si(p)/c-si(n)/μc-si(p+)异质结太阳能电池性能的影响,结果表明:随着微晶硅窗口层帯隙的增加,转化效率先增加后下降、开路电压不断增加;掺杂浓度的增加,电池性能整体呈现先上升后小幅下降的趋势;厚度的增加,电池的性能整体上呈现下降的趋势。随着工作温度的增加,微晶硅窗口层对应的最佳厚度和掺杂浓度值都有明显的减小趋势;但其对应的最佳帯隙有明显的增加的趋势。该实验结果为在不同温度下工作的电池提供了商业化生产的实验参数。

硅异质结太阳能电池工艺优化

硅异质结太阳能电池的制作过程中,所有工艺步骤都会影响其性能。通过扫描电镜、反射率、量子效率及少子寿命测试,逐步优化硅异质结太阳能电池的性能。结果表明,单晶硅片钝化的最佳锥体尺寸约为6~9μm。利用高质量的本征氢化非晶硅(a-Si:H)薄膜钝化硅片,获得了超过5 ms的少数载流子寿命。采用大带隙p型a-SiC_(x):H薄膜替代p型a-Si:H薄膜作为发射层,提高电池在较短波长范围内的光响应。通过降低铟锡氧化物的自由载流子吸收,显著改善了长波长区域光响应。综合优化后硅异质结太阳能电池功率转换效率达到21.68%。

电极对CuPc/C_(60)双层异质结有机太阳能电池光学性能的影响

采用传输矩阵法的光学模型以及MATLAB软件模拟了电极对CuPc/C60双层异质结有机太阳能电池光学性能的影响。模拟结果表明:当把微腔结构引入到双层异质结电池时,对于入射电极,发现活性层的吸光率主要受其反射相移的影响而非其透射率,并且通过变化入射电极相移调节层到合适厚度可以使活性层吸光率相比于传统器件增加很多;而当把正负折射率交替的光子晶体引入到电池中作为背电极时,发现活性层的吸光率和背电极反射率、反射相移都有很大关系,在获得高反射率的同时可以通过调节背电极厚度从而使活性层在整个吸收光谱内的吸光率大于传统器件。

氧化锌/氧化亚铜异质结太阳能电池的研究进展

因氧化亚铜(Cu2O)、氧化锌(ZnO)能级和晶格匹配较好,近年来较多的研究者将两者复合制备异质结太阳能电池。异质结的形成可提高光生电子-空穴对的分离效率,同时拓展复合结构的光响应范围,从而有效提高太阳能电池性能。介绍了3类主流的ZnO/Cu2O异质结结构,分别阐述主要的进展,综述了异质结结构中Cu2O、ZnO的制备方法以及制备条件对电池效率的影响,讨论了电池性能的改进措施,并对ZnO/Cu2O异质结太阳能电池未来的发展前景进行展望。

有机异质结太阳能电池研究进展

主要综合论述了有机异质结的理论基础,着重介绍新型光伏材料中的有机异质结的工作机理以及该领域的研究进展,为今后研究有机太阳能电池提供一定的思路.

a-Si/c-Si异质结太阳能电池制造中的技术分析

应用数值模拟方法计算ｐ（ａ－Ｓｉ：Ｈ）／ｎ（ｃ－Ｓｉ）异质结和ｐ（ａ－Ｓｉ：Ｈ）／ｉ（ａ－Ｓｉ：Ｈ）／ｎ（ｃ－Ｓｉ）结－异质结太阳能电池的电场强度分布，指出异质结电池制造中对ａ－Ｓｉ：Ｈ膜厚的选择。

a-Si/c-Si异质结结构太阳能电池设计分析

通过应用 Scharfetter- Gum mel解法数值求解 Poisson方程 ,对热平衡态 a- Si/ c- Si异质结太阳能电池进行计算机数值模拟分析 ,着重阐述在 a- Si/ c- Si异质结太阳能电池中嵌入 i( a- Si:H)缓冲薄层的作用 ,指出采用嵌入 i( a- Si:H )缓冲薄层设计能有效增强光生载流子的传输与收集 ,从而提高 a- Si/ c- Si异质结太阳能电池的性能 ,同时还讨论 p+ ( a- Si:H)薄膜厚度和 p型掺杂浓度对光生载流子传输与收集的影响 ,而高强度光照射下模拟计算表明 ,a- Si/ c-

基于聚噻吩衍生物的异质结薄膜太阳能电池

近年来聚噻吩衍生物作为电子给体材料的异质结薄膜成为国内外研究的热点.讨论了异质结薄膜太阳能电池的工作原理,重点分析了材料、混合比例、制作工艺等对聚噻吩衍生物异质结薄膜太阳能电池性能的影响,并指出了今后聚噻吩衍生物异质结薄膜太阳能电池的发展方向.