鈣鈦礦/晶硅疊層太陽電池，以其具有超過單結電池Shockley-Queisser理論極限的超高效率和成本優勢，近年來成為光伏領域的研究熱點。通過近10年的努力，鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池的光電轉換效率已從最初的13.7%提升至目前的33.7%。然而，疊層器件效率的進一步提升需要對鈣鈦礦頂電池、中間復合層以及晶硅底電池進行更高效的優化設計。目前，鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池通常采用透明導電金屬氧化物薄膜（ITO）作為中間復合層，然而ITO在制備過程中存在濺射損傷等問題。因此，開發高效的中間復合層對提升鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池的效率和加速產業化進程至關重要。
中國科學院寧波材料技術與工程研究所硅基太陽能及寬禁帶半導體科研團隊在葉繼春研究員的帶領下，在前期晶硅、鈣鈦礦和疊層電池研究的基礎上（Joule 2022, 6, 2644; Nat. Commun. 2023, 14, 2166; Energy Environ. Sci. 2021, 14, 6406; Adv. Mater. 2023, e2211962; Adv. Mater. 2023, 2302071; Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2203006; Adv. Funct. Mater. 2023, 2304708; Adv. Funct. Mater. 2022, 2110698; Nano Energy 2022, 100, 107529; Small 2023, 2304348; J. Mater. Chem. A 2023,11, 6556; J. Mater. Chem. A 2023,11, 11866; Sol. Energy Mater. Sol. C 2022, 238, 111586），近期在鈣鈦礦/晶硅疊層太陽電池的中間層設計和制備方面取得了重要進展。
在這項研究中，團隊創新性地將具有隧穿特性的p型多晶硅/n型多晶硅結構引入到疊層電池，用以取代傳統ITO中間層，成功制備出效率高達29.22%的鈣鈦礦/TOPCon疊層電池，并且這種疊層器件表現出良好的穩定性（如圖1）。相較于傳統的ITO中間復合層，這種新型隧穿復合層具有以下優勢：1）通過有效抑制p型多晶硅中硼和/n型多晶硅中磷摻雜劑的相互擴散和補償，新型隧穿結的TOPCon結構展示出優異的鈍化和接觸性能（如圖2）。此外，這種新型隧穿結的TOPCon電池與傳統TOPCon電池相比，其開路電壓提升了8mV，這表明增加一層p型多晶硅可以保持TOPCon電池的高性能。2）對于鈣鈦礦頂電池，通過第一性原理計算、紅外和XPS等測試證實鈣鈦礦頂電池的MeO-2PACz空穴傳輸層更容易吸附在p型多晶硅上（如圖3），從而有助于對頂電池載流子的提取。3）通過UPS等測試證實p型多晶硅具有比傳統ITO更高的功函數，可以進一步增強載流子傳輸和提取能力（如圖4）。
此外，通過詳細的有限元仿真，研究人員對這種隧穿疊層電池的載流子傳輸和復合機制進行了全面剖析（如圖5）。研究表明，這種隧穿復合層以陷阱輔助復合隧穿和帶帶隧穿為主。當多晶硅的摻雜濃度較低時（＜4×1019 cm-3），p型多晶硅的價帶和n型多晶硅的導帶不會發生交疊，因此不會觸發帶帶隧穿，此時陷阱輔助復合隧穿占主導。這種情況下，較高的缺陷濃度有助于陷阱輔助復合隧穿效應，從而提升疊層電池性能。當多晶硅的摻雜濃度較高時（＞4×1019 cm-3），p型多晶硅的價帶和n型多晶硅的導帶發生交疊，觸發帶帶隧穿，此時帶帶隧穿占主導。相比于陷阱輔助復合隧穿，帶帶隧穿更有利于獲得更高的填充因子和效率。因此，如何通過摻雜控制中間層的隧穿和復合效率至關重要。這項工作對于中間層的設計及相關機理研究為鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池的性能提升提供了新的途徑，其設計思路同樣也適用于以異質結作為底電池的鈣鈦礦疊層電池。
該工作以“Polycrystalline silicon tunnelling recombination layers for high-efficiency perovskite/tunnel oxide passivating contact tandem solar cells”為題發表在能源頂級期刊Nature Energy (doi.org/10.1038/s41560-023-01382-w)。寧波材料所2018級直博生鄭晶茗、應智琴博士后、楊陣海為共同第一作者，蘇州大學李孝峰教授，寧波材料所楊陣海、楊熹副研究員和葉繼春研究員為本文共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金（61974178、61874177、62004199）、浙江能源集團項目（No. znkj-2018-118）、國家重點研發項目（2022YFB4200901）、寧波市“創新2025”重大工程（2022Z114、2020Z098）、浙江省重點研發項目（2021C01006）、遼寧省科技項目（2021JH1/10400104）和青年創新促進會（2018333）的等項目支持。感謝蘇州大學李孝峰教授和北大深圳研究院林澤東博士后在理論方面給予的支持。
圖1 隧穿復合結微觀形貌及疊層器件性能
圖2 隧穿復合結內擴散分布、能帶圖及鈍化接觸性能
圖3 MeO-2PACz吸附增強的理論和實驗驗證
圖4 隧穿復合層增強鈣鈦礦頂電池載流子傳輸和提取能力的測試結果
圖5 具有隧穿結疊層電池的數值仿真及機理解釋
(來源:中國科學院寧波材料技術與工程研究所)
