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0431-81702023
光学工程
效率为20%且具有优异宽光谱响应的硅纳/微米结构高效太阳电池

由于理想的陷光和几乎不依赖角度的减反特性,硅纳米结构在太阳电池器件方面得到了广泛关注和研究。然而,硅纳米结构具有较大的比表面积,其表面悬挂键和缺陷态密度很高,器件电学性能会受到大的表面复合速率影响, 导致器件整体性能下降。要提升硅纳米结构阵列太阳电池输出性能,需要对硅纳米结构进行形貌优化、表面钝化以及电池器件的综合光电管理等,以提高器件的光电性能,优化器件在各个波段的光谱响应,最终实现光电转换效率的提升。

近期,上海交通大学物理与天文系/太阳能研究所沈文忠教授研究组设计并制备了一种大面积(156×156mm2)新型高效太阳电池—硅纳/微米复合结构太阳电池。最优的电池结果为:效率20.0%,开路电压0.653V,短路电流达到9.484A(短路电流密度39.0mA/cm2)。该研究成果发表在Advanced Functional Materials [26, 1892-1898 (2016)]上。

该研究团队在电池的正面引入硅纳/微米陷光结构,在电池背面引入背钝化结构,并对正、背面同时实施PECVD-SiO2/SiNx叠层钝化。这种结构同时保证了正面(短波)和背面(长波)的优异光电性能。在短波光谱响应方面,相比于传统微米金字塔太阳电池,硅纳/微米结构的短波段减反射性能更优;通过在正面实施SiO2/SiNx叠层钝化,使正面电学特性得到大大改善,这种正面的光电性能优化保证了电池良好的短波光谱响应。在长波光谱响应方面,背面SiO2/SiNx叠层钝化介质膜的引入大大提高了长波内背反射率和降低了背表面复合速率,这种背面光电性能的提高保证了电池器件优异的长波段光谱响应。得益于以上两点,硅纳/微米结构太阳电池的优异宽光谱响应得以实现。

这种硅纳/微米结构高效太阳电池所采用的制备工艺同现有产线工艺完全兼容,制备步骤相对简单且成本较低,具备大规模商业化应用条件。

图a) 硅纳/微米结构太阳电池结构图; 图b) 具有硅纳/微米结构的太阳电池和传统太阳电池的外量子效率EQE比较; 图c) 德国TüV莱茵论证的效率最高为20.0%的硅纳/微米结构太阳电池的I-V曲线。


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