第一作者兼通訊作者：Rasmus Nielsen博士
近年來，隨著光伏技術(shù)的不斷進(jìn)步，單結(jié)硅太陽能電池的效率已經(jīng)接近其理論上限。然而，要進(jìn)一步提高太陽能電池的效率，疊層太陽能電池成為了研究的熱點(diǎn)。本文介紹了由丹麥技術(shù)大學(xué)（DTU）物理系和DTU Nanolab的研究團(tuán)隊首次成功制備的單片硒-硅疊層太陽能電池。這一研究成果不僅展示了硒作為寬帶隙光吸收體的潛力，更為未來高效、低成本的光伏解決方案提供了新的思路。
硅太陽能電池的瓶頸與疊層電池的優(yōu)勢? ??
傳統(tǒng)硅基光伏技術(shù)因其低成本和高可靠性，已在商業(yè)市場占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，硅單結(jié)太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）已達(dá)到26.8%，接近單結(jié)器件的理論極限。為突破這一瓶頸，研究人員將目光投向了疊層太陽能電池技術(shù)。
疊層太陽能電池通過組合不同帶隙的材料，能夠顯著提高光電轉(zhuǎn)換效率。理想的疊層器件應(yīng)結(jié)合帶隙分別為約0.9 eV和1.6 eV的材料，而硅的帶隙為1.1 eV，是底部電池的理想候選。為實現(xiàn)高效疊層，頂部電池的寬帶隙材料應(yīng)在1.75 eV左右，而硒正是這樣的一個候選。
圖1. 單片硒/硅串聯(lián)太陽能電池的器件結(jié)構(gòu)
硒作為世界上最早的光伏材料，因其高吸收系數(shù)和長時間的空氣穩(wěn)定性，重新引起了研究人員的關(guān)注。硒在三方相中的直接帶隙為1.8至2.0 eV，通過與碲合金化，其帶隙可調(diào)至1.2至1.8 eV范圍。此外，硒的單一元素組成和低熔點(diǎn)使其加工簡單、成本低廉，并且與大多數(shù)底部電池兼容。
盡管如此，硒基太陽能電池的研究在1985年以PCE為5.0%的記錄停滯了三十多年，直到2017年才被改進(jìn)至6.5%。在2021年，通過引入透明導(dǎo)電氧化物（TCO），實現(xiàn)了PCE為5.2%的雙面器件。然而，迄今為止，還沒有報道顯示真正的硒-硅疊層器件。 ? ?
圖2. ZnMgO基硒/硅串聯(lián)和并行處理的雙面硒單結(jié)太陽能電池的光伏器件性能
在這項研究中，研究團(tuán)隊成功制備了首個單片硒-硅疊層太陽能電池。通過使用ZnMgO作為電子選擇性接觸材料，他們實現(xiàn)了開路電壓Voc為1.68 V的鼓舞人心的結(jié)果。然而，嚴(yán)重的載流子傳輸損失限制了整體器件性能。為了克服這一問題，他們用TiO2取代ZnMgO，顯著提高了整體功率轉(zhuǎn)換效率至2.7%。 ? ?
該研究不僅展示了硒-硅疊層太陽能電池的潛力，還提供了如何進(jìn)一步提高效率的策略。例如，通過改善硒薄膜的耗盡情況或顯著提高擴(kuò)散長度，可以實現(xiàn)更高的短路電流密度。研究人員采用雙面隧道氧化物鈍化接觸（TOPCon）結(jié)構(gòu)制備了硅底部電池，并在硅片上生長了大約1.4 nm的SiO2隧道氧化物。隨后，通過低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）法沉積了大約200 nm的多晶硅接觸層。硒頂層電池的制備則涉及多步驟，包括在室溫下RF濺射沉積65 nm的ZnMgO或TiO2，熱蒸發(fā)沉積硒等。
通過SCAPS-1D模擬，他們確定了限制電子流動的關(guān)鍵傳輸障礙。研究表明，通過改變器件極性或顯著改善擴(kuò)散長度，可以實現(xiàn)大約10 mA/cm2的短路電流密度。為了進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)換效率，還可以考慮實施抗反射涂層和其他光捕獲技術(shù)。? ??
圖4. TiO2基硒/硅串聯(lián)太陽能電池的光伏器件性能
這項研究表明，硒-硅疊層太陽能電池具有超越單結(jié)硅太陽能電池理論效率極限的巨大潛力。盡管目前仍存在載流子傳輸損失等問題，但通過優(yōu)化材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計，這一新型疊層太陽能電池有望在未來實現(xiàn)更高的效率。研究團(tuán)隊提出的改進(jìn)策略為后續(xù)研究指明了方向，預(yù)示著硒-硅疊層太陽能電池將成為高效光伏技術(shù)的有力競爭者。
這項突破性研究不僅為光伏技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力，也為實現(xiàn)更高效、可持續(xù)的能源解決方案提供了堅實的基礎(chǔ)。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和優(yōu)化，硒-硅疊層太陽能電池有望在光伏市場中占據(jù)一席之地，為全球能源轉(zhuǎn)型貢獻(xiàn)力量。
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.? ??
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