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.

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。

MoS_(2)/SnS异质结太阳能电池的模拟研究

硫化亚锡(SnS)是一种Ⅳ-Ⅵ族层状化合物半导体材料,其禁带宽度与太阳能电池最佳带隙1.5 eV非常接近,并且在可见光范围内光的吸收系数很大(α>104 cm-1),因此SnS是一种很有应用前景的材料。本文利用太阳能电池模拟软件wxAMPS模拟了MoS_(2)/SnS异质结太阳能电池,主要研究SnS吸收层的厚度、掺杂浓度和缺陷态等因素对太阳能电池性能的影响。研究发现:SnS吸收层最佳厚度为2μm,最佳掺杂浓度为1.0×10^(15) cm^(-3);同时高斯缺陷态浓度超过1.0×10^(15) cm^(-3)时,电池各项性能参数随着浓度的增加而减小,而带尾缺陷态超过1.0×10^(19) cm^(-3)·eV-1时,电池性能才开始下降;其中界面缺陷态对太阳能电池影响比较严重,界面缺陷态浓度超过1.0×10^(12) cm^(-2)时,开路电压、短路电流、填充因子和转换效率迅速下降。另外,通过模拟获得的转换效率高达24.87%,开路电压为0.88 V,短路电流为33.4 mA/cm 2。由此可知,MoS_(2)/SnS异质结太阳能电池是一种很有发展潜力的光伏器件结构。

以Spiro-OMeTAD作为空穴传输层的ZnS/SnS太阳能电池模拟研究

硫化亚锡(SnS)因其合适的电学和光学特性而被作为太阳能电池的吸收层进行研究。Spiro-OMeTAD常用作空穴传输层以提高太阳能电池性能。本文采用wxAMPS软件对SnS基太阳能电池ZnS/SnS/Spiro-OMeTAD进行模拟研究。主要研究分析Spiro-OMeTAD空穴传输层对太阳能电池性能的影响,其中包括:开路电压、短路电流密度、填充因子、光电转换效率及量子效率。研究结果表明:在加入Spiro-OMeTAD空穴传输层后,ZnS/SnS/Spiro-OMeTAD太阳能电池的开路电压(V_(OC))增加至0.958 V,短路电流(J_(SC))增加到32.96 mA/cm^(2),填充因子(FF)和光电转换效率(PCE)分别达到了79.26%和25.07%,电池性能取决于电池各层厚度、掺杂浓度、缺陷态密度及工作温度。通过研究表明Spiro-OMeTAD作为空穴传输层,有利于提高太阳能电池的各性能,并且ZnS/SnS/Spiro-OMeTAD是一种十分具有发展潜力的光伏器件结构。

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。

多孔碳支撑SnO_(2)/CoO/异质结的构筑及其储锂性能研究

在溶剂热环境中,通过调整原料中锡源(SnCl_(2)·2 H_(2)O)和钴源[Co(NO_(3))_(2)·6 H_(2)O]摩尔比制备了多孔碳支撑SnO_(2)/CoO异质结构。当摩尔比为1∶1时,制备的SnO_(2)/CoO/多孔碳呈现出SnO_(2)和CoO纳米颗粒通过M-O-C(M=Sn,Co)键嫁接在多孔碳骨架上的结构。作为锂离子电池负极,SnO_(2)/CoO/多孔碳在500 mA/g电流密度下初始充放电比容量为1192.3/1408.4 mAh/g,库仑效率为84.7%。经过200次循环后,可逆比容量可保持在735 mAh/g。在2000 mA/g高电流密度下,SnO_(2)/CoO/多孔碳可逆比容量仍为617.3 mAh/g。优异的循环性能和倍率性能归功于SnO_(2)、CoO高的储锂容量及其与多孔碳之间的协同增强效应。

硅异质结太阳能电池用透明导电氧化物薄膜的研究现状及发展趋势

硅异质结(SHJ)太阳能电池是目前光伏产业中的重要组成部分,其由于具有高开路电压(V_(oc))等优点而引起了广泛的关注。在硅异质结太阳能电池中,透明导电氧化物(TCO)薄膜层的光学性能和电学性能分别影响着电池的短路电流(J_(sc))、填充因子(FF),进而影响电池的转换效率。近年来,SHJ电池中TCO层的研究主要集中于掺杂的In 2O 3和ZnO体系。本文从硅异质结太阳能电池的不同结构出发,概述了TCO薄膜的光电性能(透过率、禁带宽度、方块电阻、载流子浓度、迁移率和功函数)以及与相邻层的接触对电池性能的影响,介绍了不同体系的透明导电氧化物薄膜在硅异质结太阳能电池中的应用及研究现状,并展望其未来的发展趋势。

SnS_2/SnS薄膜太阳能电池的制备与性能研究

文章采用水热法合成SnS2、SnS纳米晶体,用浸涂法制备了相应薄膜及其太阳能电池。用XRD和TEM分析了纳米晶体的晶型和颗粒形貌,用SEM对SnS2薄膜进行了表征,测量了SnS2、SnS薄膜的UV-Vis、UV-Vis-NIR吸收性能。结果表明,所制备的SnS2、SnS颗粒分别呈球形和片状结构且结晶性良好,SnS2薄膜的直接带隙为2.6 eV、间接带隙为2.2 eV,SnS薄膜的直接带隙为1.2 eV,间接带隙为1.0 eV,得到的SnS2/SnS薄膜太阳能电池的短路电流密度为1.1μA/cm2,开路电压为25 mV。

异质结太阳能电池生产过程废气/废水污染防治措施

随着传统化石能源的减少,新型可持续能源的开发显得尤为重要,发展光伏发电符合我国国情。异质结太阳能电池作为一种新兴的硅太阳能电池,具有更高的效率、制程简单等优势,同时,异质结太阳能电池生产过程产生的废气包括酸碱废气、工艺硅烷废气、有机废气等废气污染物,含氟废水、酸性洗涤塔废水、中水回用、生化处理单元、废蚀刻液处理等废水污染物,如果不进行治理,将造成严重的生态环境影响。本文对异质结太阳能电池生产过程废气、废水污染物防治措施进行研究,处理后的废气、废水满足《电池工业污染物排放标准》(GB30484-2013)排放要求,研究成果为光伏发电行业提供技术参考。

基于AFORS-HET的单层MoS2(n)/a-Si(i)/c-Si(p)/μc-Si(p+)异质结太阳能电池模拟

设计了单层MoS2(n)/a-Si(i)/c-Si(p)/μc-Si(p+)异质结太阳能电池结构,采用AFORS-HET模拟软件模拟了背场层的带隙、掺杂浓度和缺陷密度等参数对开路电压、短路电流、填充因子和转化效率的影响。结果显示,背场层带隙在1.5~1.7 eV之间,背场层的掺杂浓度大于1×10^18 cm^-3时,该结构的太阳能电池有比较稳定的表现。缺陷密度增加时,太阳能电池效率随着缺陷密度的对数线性减小,当控制缺陷密度在10^11 cm^-3以下时,可以获得大于24.10%的转化效率,缺陷密度为10^9 cm^-3时,可以获得最高29.08%的转换效率。最后研究了背场层对该结构太阳能电池的作用,结果显示有效控制缺陷密度时,背场层的添加对电池效率的提升很明显。

硅基异质结太阳能电池TCO层的研究进展

硅基异质结太阳能电池的TCO层位于掺杂的非晶硅层或微晶硅和金属电极之间,TCO层的形成方法、TCO层与掺杂的非晶硅层或微晶硅的界面以及TCO层外表面特性都对硅基异质结太阳能电池的性能产生较大的影响,优化TCO层的沉积工艺、在TCO层与掺杂的非晶硅层或微晶硅的界面形成缓冲层、调整TCO层的功函数以及在TCO层的外表面形成功能层,这是近年来对TCO层的主要改进方式。

TiO_(2)缓冲层在SnS薄膜太阳能电池中的数值仿真研究

低成本、环保的硫化亚锡(SnS),因具有较高的吸收系数与合适的禁带宽度,成为薄膜太阳能电池中很有潜力的光吸收层材料。但是目前已报道的SnS薄膜太阳能电池效率仍较低。本文对二氧化钛(TiO_(2))缓冲层在SnS薄膜太阳能电池中的应用进行数值仿真研究。首先对吸收层的厚度与掺杂浓度、缓冲层的厚度与掺杂浓度进行了讨论,优化后的光电转换效率达到15.66%。然后在此基础上仿真分析了环境温度、背接触金属功函数对电池性能的影响。由仿真结果可知,该电池效率的温度系数为-0.029%/K,当背接触功函数大于5.1 eV时,电池性能较好。这为以后研发高性能的SnS薄膜太阳能电池提供了理论指导与参考。

Cu_2O-ZnO太阳能电池的研究进展及磁控溅射法制备Cu_2O-ZnO异质结的研究(英文)

Cu2O-ZnO异质结具有成本低廉、环境友好及制备方法多样等优点,在太阳能电池领域有很好的应用前景。Cu2O薄膜的高电阻率和低载流子浓度是制约其效率提高的主要原因。本文采用磁控溅射法,在qV(Ar)∶qV(O2)=90∶0.3时得到单相p型Cu2O薄膜,电阻率为88.5Ω·cm,霍尔迁移率为16.9 cm2·V-1·s-1,载流子浓度为4.19×1015cm-3。并结合Cu2O-ZnO异质结能带结构的研究,对Cu2O-ZnO异质结太阳能电池今后的研究提出了一些建议。

高性能有机太阳能电池宽带隙聚合物给体材料研究进展

随着光伏材料的不断革新,有机光伏(OPV)电池的能量转换效率(PCE)已经接近20%,聚合物给体材料与小分子电子受体材料的开发被认为是提升OPV电池PCE的核心。在众多给体材料中,宽带隙聚合物给体材料因出色的光电特性已占据OPV给体材料的主导地位。为了进一步提高OPV的光伏效率,总结并梳理宽带隙聚合物给体材料的分子结构与其光电特性的关联是必要的。首先,本文总结了聚合物给体材料的光学带隙和分子能级的调控方法;其次,探讨并总结了聚合物溶液聚集效应的调控方法以及与光活性层形貌的关联;再次,强调了降低OPV电池的能量损耗重要性,并讨论了降低其能量损耗的方法;再次,针对当前优秀的宽带隙聚合物给体进行总结;最后,讨论了基于宽带隙聚合物给体的非富勒烯OPV电池商业化实现的机遇和挑战。

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。

Cu_2O/ZnO氧化物异质结太阳电池的研究进展

介绍了近年来低成本Cu_2O/ZnO氧化物异质结太阳电池方面的研究进展.应用于光伏器件的吸收层材料Cu_2O是直接带隙半导体材料,天然呈现p型;其原材料丰富,且对环境友好.Cu_2O/ZnO异质结太阳电池结构主要有平面结构和纳米线/纳米棒结构.纳米结构的Cu_2O太阳电池提高了器件的电荷收集作用;通过热氧化Cu片技术获得的具有大晶粒尺寸平面结构Cu_2O吸收层在Cu_2O/ZnO太阳电池应用中展现出了高质量特性.界面缓冲层(如i-ZnO,a-ZTO,Ga_2O_3等)和背表面电场(如p^+-Cu_2O层等)可有效地提高界面处能级匹配和增强载流子输运.10 nm厚度的Ga_2O_3提供了近理想的导带失配,减少了界面复合;Ga_2O_3非常适合作为界面层,其能够有效地提高Cu_2O基太阳电池的开路电压V_(oc)(可达到1.2 V)和光电转换效率.p^+-Cu_2O(如Cu_2O:N和Cu_2O:Na)能够减少器件中背接触电阻和形成电子反射的背表面电场(抑制电子在界面处复合).利用p型Na掺杂Cu_2O(Cu_2O:Na)作为吸收层和Zn_(1-x)Ge_x-O作为n型缓冲层,Cu_2O异质结太阳电池(器件结构:MgF_2/ZnO:Al/Zn_(0.38)Ge_(0.62)-O/Cu_2O:Na)光电转换效率达8.1%.氧化物异质结太阳电池在光伏领域展现出极大的发展潜力.

退火温度和β-FeSi2薄膜厚度对n-β-FeSi2/p-Si异质结太阳电池的影响

本文采用室温直流磁控溅射Fe-Si组合靶的方法,并通过后续退火温度的优化得到了单一相高质量的β-FeSi2薄膜。结果表明,在本实验条件下得到的未掺杂的β-FeSi2薄膜在室温下是n型导电的,其电学特性存在一个退火温度的最优点:800℃。而且在这个最佳温度点上,在Si(111)衬底上外延得到的薄膜载流子迁移率比在Si(100)上高出了一倍多。在上述研究的基础上,采用p-Si(111)单晶片作为外延生长β-FeSi2薄膜的衬底,并通过退火温度和薄膜厚度的优化制备出了国内第一个n-β-FeSi2/p-Si异质结太阳电池,其Jsc=7.90 mA/cm2,Voc=0.21V,FF=0.23,η=0.38%。