全球首个硒-硅单片叠层太阳能电池：有望突破单结光伏效率极限

第一作者兼通讯作者：Rasmus Nielsen博士

正文内容

近年来，随着光伏技术的不断进步，单结硅太阳能电池的效率已经接近其理论上限。然而，要进一步提高太阳能电池的效率，叠层太阳能电池成为了研究的热点。本文介绍了由丹麦技术大学（DTU）物理系和DTU Nanolab的研究团队首次成功制备的单片硒-硅叠层太阳能电池。这一研究成果不仅展示了硒作为宽带隙光吸收体的潜力，更为未来高效、低成本的光伏解决方案提供了新的思路。

图文解析

硅太阳能电池的瓶颈与叠层电池的优势 传统硅基光伏技术因其低成本和高可靠性，已在商业市场占据主导地位。然而，硅单结太阳能电池的功率转换效率（PCE）已达到26.8%，接近单结器件的理论极限。为突破这一瓶颈，研究人员将目光投向了叠层太阳能电池技术。叠层太阳能电池通过组合不同带隙的材料，能够显著提高光电转换效率。理想的叠层器件应结合带隙分别为约0.9 eV和1.6 eV的材料，而硅的带隙为1.1 eV，是底部电池的理想候选。为实现高效叠层，顶部电池的宽带隙材料应在1.75 eV左右，而硒正是这样的一个候选。

图1. 单片硒/硅串联太阳能电池的器件结构

硒：重获新生的光伏材料硒作为世界上最早的光伏材料，因其高吸收系数和长时间的空气稳定性，重新引起了研究人员的关注。硒在三方相中的直接带隙为1.8至2.0 eV，通过与碲合金化，其带隙可调至1.2至1.8 eV范围。此外，硒的单一元素组成和低熔点使其加工简单、成本低廉，并且与大多数底部电池兼容。尽管如此，硒基太阳能电池的研究在1985年以PCE为5.0%的记录停滞了三十多年，直到2017年才被改进至6.5%。在2021年，通过引入透明导电氧化物（TCO），实现了PCE为5.2%的双面器件。然而，迄今为止，还没有报道显示真正的硒-硅叠层器件。

图2. ZnMgO基硒/硅串联和并行处理的双面硒单结太阳能电池的光伏器件性能

首次实现单片硒-硅叠层太阳能电池在这项研究中，研究团队成功制备了首个单片硒-硅叠层太阳能电池。通过使用ZnMgO作为电子选择性接触材料，他们实现了开路电压Voc为1.68 V的鼓舞人心的结果。然而，严重的载流子传输损失限制了整体器件性能。为了克服这一问题，他们用TiO2取代ZnMgO，显著提高了整体功率转换效率至2.7%。

图3. 能带位置表征和器件性能模拟

该研究不仅展示了硒-硅叠层太阳能电池的潜力，还提供了如何进一步提高效率的策略。例如，通过改善硒薄膜的耗尽情况或显著提高扩散长度，可以实现更高的短路电流密度。研究人员采用双面隧道氧化物钝化接触（TOPCon）结构制备了硅底部电池，并在硅片上生长了大约1.4 nm的SiO2隧道氧化物。随后，通过低压化学气相沉积（LPCVD）法沉积了大约200 nm的多晶硅接触层。硒顶层电池的制备则涉及多步骤，包括在室温下RF溅射沉积65 nm的ZnMgO或TiO2，热蒸发沉积硒等。通过SCAPS-1D模拟，他们确定了限制电子流动的关键传输障碍。研究表明，通过改变器件极性或显著改善扩散长度，可以实现大约10 mA/cm²的短路电流密度。为了进一步提高光电转换效率，还可以考虑实施抗反射涂层和其他光捕获技术。

图4. TiO2基硒/硅串联太阳能电池的光伏器件性能

展望

这项研究表明，硒-硅叠层太阳能电池具有超越单结硅太阳能电池理论效率极限的巨大潜力。尽管目前仍存在载流子传输损失等问题，但通过优化材料和结构设计，这一新型叠层太阳能电池有望在未来实现更高的效率。研究团队提出的改进策略为后续研究指明了方向，预示着硒-硅叠层太阳能电池将成为高效光伏技术的有力竞争者。这项突破性研究不仅为光伏技术的发展注入了新的活力，也为实现更高效、可持续的能源解决方案提供了坚实的基础。未来，随着技术的不断进步和优化，硒-硅叠层太阳能电池有望在光伏市场中占据一席之地，为全球能源转型贡献力量。

第一作者在2024年MRS春季会议的报告

文章信息：Nielsen R, Crovetto A, Assar A, et al. Monolithic Selenium/Silicon Tandem Solar Cells[J]. PRX Energy, 2024, 3(1): 013013.