可扩展工艺实现19.1%大面积全钙钛矿叠层光伏组件

近年来，随着钙钛矿/硅和钙钛矿/铜铟镓硒(CIGS)叠层太阳能电池的出现，两端全钙钛矿叠层太阳能电池(2TPT-SCs)引起了研究人员极大的兴趣，它结合了宽带隙(WBG)钙钛矿顶部亚电池(EG-top≈1.6-1.8 eV)和窄带隙(NBG)钙钛矿底部亚电池(EG-bottom <1.3 eV)的优势。由于目前这类电池效率超过了商用单结多晶硅或CIGS电池的转换效率，因此为2TPT太阳能电池组件(2TPT-SMs)开发可扩展的制造工艺和互连方案是未来发展重点。

德国卡尔斯鲁厄理工学院微结构技术研究所通过引入可扩展的高效、两端、全钙钛矿叠层组件，推进了两端全钙钛矿叠层光伏发电。通过基于真空沉积工艺和刮涂涂层的组合以及可扩展的互连方案，实现了实验室规模、旋涂两端全钙钛矿叠层太阳能电池(0.1 cm2，PCE为23.5%)到实验室规模组件(12.25 cm2孔径面积)的升级。采用真空辅助生长控制在顶部亚电池的WBG上成功扩大和无降解生长NBG。组件互连通过惰性气氛中的全激光刻痕图案工艺实现，使几何填充因子(GFF)达到94.7%。本研究展示的自旋涂层叠层组件中的每条电池开路电压(Voc)约为2.01 V左右，而总组件的Voc等于预期的8.0 V。这意味着每条电池的Voc损失仅为最小值，仅为10 mV(相对0.5%)。此外，组件保留了75%的高填充因子(FF)，表明引入的组件互连的不利影响可以忽略不计。对孔径面积为2.56 cm2的冠军组件(无封装和掩膜，在环境大气中测量)的内部测量显示出22.2%的高PCE，Voc=8.0 V，短路电流Isc=9.57 mA，FF=75%。在连续照明下，稳定功率输出为54.7 mW时，经过15小时最大功率点(MPP)跟踪电池呈现了95%的初始效率(SPCE)。组件的制造采用刮涂涂层(2PACz、WBG钙钛矿、PEDOT:PSS、NBG钙钛矿和PCBM)和真空沉积(LiF、C60、SnOX、Au、BCP和MgF2)方法的组合进行。原型组件在20小时内达到19.1%的PCE(孔径面积为12.25 cm2，七个电池条和94.7%的GFF)和18.3%的MPP跟踪(对应于224 mW)，相对下降小于7%。飞行时间二次离子质谱法(ToF-SIMS)的测量展示了高度选择性激光图案，以及明确的GFF(~94.7%±0.1%)。通过电致发光和光致发光成像以及光束诱导电流成像系统(LBIC)映射，证明了整个组件区域内的均匀电流收集和低缺陷密度，这解释了该研究的旋涂层叠层组件的Voc和FF低损耗(<2%)，以及使用刮涂涂层和真空沉积扩大组件的合理损耗(<5%)。

图1 全钙钛矿叠层太阳能电池和组件的设计和性能

该研究对两端全钙钛矿叠层太阳能电池组件(2TPT-SMs)采用可扩展的沉积技术(刮涂涂层和真空沉积)，并使用了一种廉价全激光刻痕太阳能薄膜图案，实现了两端全钙钛矿叠层太阳能电池(2TPT-SCs)从0.1 cm2到12.25 cm2的轻松扩展。同时，该研究在窄带隙(NBG)太阳能电池的组成和缺陷钝化方面的进展，促进了NBG底部亚电池表现出优异的稳定性。相关研究成果发表在《Nature Energy》。

责任编辑：周末