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基于调控硅底电池的表面粗糙度,实现钙钛矿/硅叠层电池实现32.6%转换效率
日期:2026-01-14浏览量:210
钙钛矿-硅叠层太阳能电池已突破单结器件的效率极限,具备大规模应用前景。目前研究主要集中在钙钛矿顶电池及其界面优化上,而硅底电池的关键作用却未得到充分探索。美能QE量子效率测试仪可用于精确测量太阳电池的EQE与光谱响应,帮助优化界面工程和背接触设计,从而提升电池的量子效率和整体性能。
本文系统研究了硅异质结(SHJ)底电池上表面纳米粗糙度对整体叠层器件性能的影响,并提出通过调控氢化纳米晶硅((n)nc-Si:H)层的厚度或在其沉积前进行氢/二氧化碳混合等离子体处理,可有效调控表面形貌,进而提升器件性能。
研究背景与意义
叠层电池的高效率依赖于钙钛矿顶电池与硅底电池的协同优化。在用于溶液法钙钛矿-硅叠层的SHJ底电池中,通常采用n型硅层(作为电子传输层),包括氢化非晶硅((n)a-Si:H)、纳米晶硅((n)nc-Si:H)及氧化合金层((n)nc-SiOx:H)。其中,nc-Si:H基层具有更优的光电特性,已在高效单结SHJ电池中广泛应用。这些层为混合相材料,由嵌入非晶基体中的纳米晶组成,其表面通常呈圆顶形貌,产生纳米尺度粗糙度。这种形貌受两相生长速率比控制,可通过膜厚、沉积参数或衬底预处理进行调控。表面粗糙度显著影响后续自组装单分子层(SAM)的锚定及钙钛矿薄膜质量,进而影响整体器件性能,但此前其具体影响常被忽视。
研究方法与设计
A. 单片钙钛矿-硅叠层器件示意图。B. 采用不同底电池的叠层器件的开路电压(VOC)和填充因子(FF)。C. 相应器件的光致发光(PL)图像和截面扫描电子显微镜(SEM)显微照片
本研究采用两种方法调控纹理化c-Si底电池的表面纳米粗糙度:
改变 (n)nc-Si:H 层厚度(从约15 nm至70 nm)。
在沉积 (n)nc-Si:H 前,施加不同时长(0、15、30、60秒)的 H₂/CO₂ 混合气体等离子体处理(PT),并固定 (n)nc-Si:H 厚度为15 nm。
制备了两种底电池:基于15 nm厚(Type-1)和25 nm厚(Type-2)(n)nc-Si:H层。所有叠层器件采用相同的钙钛矿顶电池工艺。
粗糙度调控及其对薄膜性质的影响
A. SEM显微照片B. σd和Ea,以及C. 结晶体积分数(由拉曼光谱估算),均作为等离子体处理时长的函数D. 用于TLM测量的ρc测试结构的示意图(插图)和代表性I-V曲线E. n型接触叠层的提取ρc,以及F. 展示15纳米厚(n)nc-Si:H层其τeff值随等离子体处理时长的变化G. 具有(i)a-Si:H涂层(6纳米厚)的纹理化样品的反射光谱
厚度调控:随着(n)nc-Si:H厚度增加,表面纳米粗糙度增加,薄膜结晶度、暗电导率(σd)提高,活化能(Ea)下降。但更厚的层导致更长沉积时间及更高的红外寄生吸收,降低底电池电流。
等离子体处理:即使对于15 nm的薄层,短时(15秒)等离子体处理也能显著诱导纳米粗糙度形成,表现为金字塔表面出现密集纳米级凸起。延长处理时间(60秒)会导致晶粒聚集,形成更大球形特征。该处理能显著提升薄膜电学性能:15秒处理使15 nm厚(n)nc-Si:H的σd从3.6×10⁻⁵ S/cm提升至0.6 S/cm,Ea大幅降低,结晶度增强,效果堪比100 nm厚层。
电学与钝化特性:
接触电阻(ρc):等离子体处理时长≤30秒时,ρc从约88 mΩ·cm²降至79 mΩ·cm²;60秒处理则因可能形成较厚界面氧化层导致ρc回升至89 mΩ·cm²。
钝化质量:等离子体处理会劣化(i)a-Si:H/c-Si界面的钝化(有效少子寿命τeff下降),可能与CO₂等离子体引入氧导致非晶网络脱氢有关。在(n)nc-Si:H上添加2 nm厚(n)a-Si:H盖帽层可有效缓解钝化退化,并减少后续ITO溅射损伤,但略微增加ρc。
光学特性:更长的等离子体处理时间导致反射率逐渐降低(尤其在短波区),证实了表面纳米粗糙度的增强。此光学行为在沉积10 nm ITO后依然保持。
对SAM沉积与钙钛矿薄膜形成的影响
A. 在不同等离子体处理(PT)时长的(n)nc-Si:H层的纹理化c-Si晶圆上沉积HTL-SAM后的接触角值B. 价带顶(VBM)和功函数(WF)值,以及C. 具有不同等离子体处理时长的n型层/ITO/SAM(叠层)在SAM沉积前后的功函数偏移(ΔWF)。D. 截面SEM显微照片以及基于GIWAXS测量的(100)衍射峰方位角积分强度。E. 沉积在不同n型层/ITO/SAM叠层上的钙钛矿薄膜的准费米能级分裂(QFLS,Δμ)图像
表面能与功函数:更高的表面纳米粗糙度导致HTL-SAM溶液接触角增大(表面能降低),并使SAM沉积后的功函数偏移(ΔWF)更大。这表明粗糙表面促进了SAM分子的更紧密堆积,增强了界面偶极子效应。
钙钛矿薄膜质量:在经30秒等离子体处理的样品上沉积的钙钛矿薄膜,显示出更大、更均匀的晶粒,以及更明显的(100)晶面择优取向(通过GIWAXS测量),这有利于载流子迁移。绝对PL成像显示,在这些样品上的钙钛矿薄膜具有更高的PL强度和更均匀的准费米能级分裂(QFLS,Δμ ≈ 1290 meV),表明非辐射复合减少。
叠层太阳能电池性能
A. 采用不同n型层(叠层)的钙钛矿-硅叠层太阳能电池的J-V参数B. 每种n型层(叠层)最佳器件的J-V特性曲线,以及C. 相应叠层太阳能电池的外量子效率(EQE)光谱
与采用6 nm厚 (n)a-Si:H层的器件相比,采用15 nm厚 (n)nc-Si:H层的器件有效抑制了漏电,开路电压(VOC)和填充因子(FF)分别从~1920 mV、~68% 提升至 ~1945 mV、~75%。这主要归因于粗糙度增加带来的更大ΔWF以及更低的ρc。
增加2 nm (n)a-Si:H盖帽层可略微提升VOC(得益于钝化改善)。
施加等离子体处理(尤其是30秒)可进一步提升FF,最终使器件效率提高。
所有样品的短路电流密度(JSC)基本相当。
最佳结果:采用15 nm (n)nc-Si:H + 2 nm (n)a-Si:H叠层结构,并施加30秒等离子体处理,实现了最高32.6%的转换效率。
实验方法概要
研究使用n型FZ硅片,制绒后经PECVD沉积(i)a-Si:H及各类n型层(包括(n)a-Si:H、(n)nc-Si:H及其叠层),并进行等离子体处理。随后溅射ITO,制作背场与背反射镜。钙钛矿顶电池采用2PACz作为HTL-SAM,沉积宽带隙(~1.68 eV)钙钛矿吸收层,并辅以C60/SnO2作为ETL,最终蒸发IZO前电极和MgF2减反射层。器件性能通过J-V测试、EQE、PL成像、SEM、AFM、拉曼光谱、开尔文探针、GIWAXS等多种手段进行系统表征。
本研究揭示了硅底电池表面纳米粗糙度是影响钙钛矿-硅叠层太阳能电池性能的关键、且此前未被充分重视的设计参数。通过调整(n)nc-Si:H层厚度或采用H₂/CO₂混合等离子体预处理,可有效调控粗糙度。增加的粗糙度改善了SAM锚定,提高了界面偶极子强度,进而优化了HTL/钙钛矿界面质量和钙钛矿薄膜结晶性,最终显著提升了器件FF和效率。等离子体处理法尤其适用于在薄(n)nc-Si:H层中高效引入粗糙度,有利于减少工艺时间和寄生吸收。这项工作为超越当前以钙钛矿优化为核心的策略提供了新思路,对推动叠层电池产业化及相关硅基薄膜技术(如SHJ电池)具有广泛意义。
联系电话:400 008 6690
美能QE量子效率测试仪可以用来测量太阳能电池的光谱响应,并通过其量子效率来诊断太阳能电池存在的光谱响应偏低区域问题。它具有普遍的兼容性、广阔的光谱测量范围、测试的准确性和可追溯性等优势。
▶兼容所有太阳能电池类型,满足多种测试需求
▶光谱范围可达300-2500nm,并提供特殊化定制
▶氙灯+卤素灯双光源结构,保证光源稳定性
原文参考:Tuning the surface nanoroughness of the recombination junction for high performance perovskite-silicon tandem solar cells









































































