一文盡析鈣鈦礦—晶硅疊層電池關(guān)鍵技術(shù)：疊層界面工藝

:鈣鈦礦-晶硅疊層電池(perovskite/c-Si tandem solar cell)，作為光伏學(xué)界第一當(dāng)紅炸子雞鈣鈦礦電池，和光伏產(chǎn)業(yè)界絕對老大哥晶硅電池互蹭熱點的產(chǎn)物，一旦來電，自然是火花四溢。賣點太多：用晶硅打底保證靠譜，鈣鈦礦做彩頭性價比高，結(jié)合以后更是1+1>2，效率有望過30%，實在是吸睛。鈣鈦礦-晶硅疊層電池在學(xué)界熱了很多年，今年終于有消息越界試水了。居然有廠商號稱推出了交鑰匙解決方案。不管靠譜不靠譜，兔子已經(jīng)按耐不住，跳進來要湊湊熱鬧。今天就來詳盡討論一下兔子認為的鈣鈦礦-晶硅疊層電池最關(guān)鍵的技術(shù)：疊層界面工藝。純屬拋磚引玉，如有不贊同的，將就這塊磚頭，拍回來就是了。

疊層界面

任何雙端疊層電池的界面，都是要命的所在。(雙端vs四端之爭，兔子留作以后討論。)一般來說，在疊層電池制備的過程中，總是先拿一個做好的電池作為襯底，把另外一個電池長在上面。就是這“長”字，麻煩就大了。

晶格匹配

如果是III-V族電池體系，不管是MOCVD還是MBE，上層的電池都需要和下層的電池晶格匹配，否則就會長歪。為了解決這個問題，要不就要選擇晶格不會失配的材料，要不就要加上一個組分漸變的緩沖層，這樣既增加了成本，還降低了效率。

界面復(fù)合層

所幸多晶的鈣鈦礦電池并不存在晶格匹配的問題，但是其他的界面問題也很要命。所謂雙端疊層電池，只是說疊層電池最終引出的電極只有正負兩極，實質(zhì)上總共還是四端的，因為每一個子電池必然有N和P兩端。只是說作為串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，頂電池的下端和底電池的上端在內(nèi)部是連在一起的，你可以理解為一根導(dǎo)線把它們串在了一起。但顯然作為“單片(monolithic)”制備的疊層電池，導(dǎo)線是不可行的。必須要引入所謂的“復(fù)合層(recombination layer)”。

兔子必須要請大家留意，此處的復(fù)合不是指子電池內(nèi)部少數(shù)載流子的復(fù)合，而是一個子電池的多子和另一個子電池極性相反的多子復(fù)合，就像是用導(dǎo)線把他們連起來一樣。用得比較多的是透明導(dǎo)電膜，比如斯坦福研究組去年創(chuàng)紀錄的23.6%效率的工作(2017，Bush，Nature Energy)用的就是ITO，貴一點，吸光稍微多一點，但是性能比較穩(wěn)定。

(2017，Bush，Nature Energy)

也有人從微晶-非晶薄膜找到靈感，用反向的重摻硅做隧穿結(jié)層的，比如MIT研究組的工作(2015，Mailoa，APL)。所謂各有各的絕活。

(2015，Mailoa，APL)

最近更有UNSW的學(xué)者另辟蹊徑，干脆這層界面層也給省了算了，找到一種材料SnO2，既能作為鈣鈦礦層的電子傳導(dǎo)層，又能作為底層晶硅電池的復(fù)合接觸層。錢省了效果還很好。只需要把晶硅電池的發(fā)射極方阻調(diào)一調(diào)，即可實現(xiàn)完美的整流接觸(2018，Zheng，EES)。

(2018，Zheng，EES)

然而無論如何，制絨的界面才是王道，畢竟鈣鈦礦-晶硅疊層電池的痛點和瓶頸在電流。只有金字塔絨面的陷光效果才好，才能提升電流。更何況，如果晶硅和鈣鈦礦接觸的表面還需要拋光的話，這成本就好說不好聽了，那產(chǎn)業(yè)化前景實在堪憂。道理誰都懂，可惜誰都做不出來。為什么呢?兩大難題：第一是一旦晶硅制絨，表面就變得坑坑洼洼，再往上涂的鈣鈦礦材料，基本上都會掉進金字塔的底部，而金字塔尖則是光禿禿的，這輕則少子復(fù)合巨大，重則鈣鈦礦頂電極和晶硅頂部直接接觸，直接就沒鈣鈦礦電池什么事了。第二，即使不會完全掉進坑里，但是只要鈣鈦礦成膜稍有不均勻，就會把鈣鈦礦電池給分流(shunt)，嚴重影響開壓和填充因子。這兩大難題，不知道困擾了多少才智之士。

瑞士EPFL的Ballif組今年終于找到了解決的辦法(2018，Sahli，Nature Materials)。訣竅之一是物理沉積+溶液涂層的結(jié)合。物理蒸發(fā)的薄膜一定是指哪打哪兒，無論什么表面都貼的嚴嚴實實的，顯然不會有溶液涂層那種受重力作用就會掉到坑里的問題。但是鈣鈦礦里面的有機鹵化物成分又需要溶液旋涂。怎么辦呢?這個研究組先用共蒸發(fā)的辦法把“孔狀”碘化鉛框架鍍到金字塔上，再往上面甩有機鹵化物溶液。這些孔就會像海綿一樣把有機鹵化物均勻的吸到他們應(yīng)該在的地方。再一燒結(jié)，均勻成膜!

(2018，Sahli，Nature Materials)

訣竅之二是用納米晶硅取代ITO做鈣鈦礦-晶硅的界面復(fù)合層。此處不得不八卦兩句。當(dāng)年微晶/非晶硅疊層電池界第一大牛Ballif，不以物喜不以己悲，沒有靜靜的跟著微晶/非晶薄膜電池一起衰敗，而是轉(zhuǎn)手把一套非晶硅薄膜的訣竅刷到HIT電池上，成為HIT的一方豪強;如今又把這納米晶硅薄膜的訣竅用到了疊層上，直接玩出了25.2%疊層記錄的新高度!這也算是冥冥天意，峰回路轉(zhuǎn)不由人!為什么納米晶硅復(fù)合層這么神奇?

說起來有點反直覺，正是因為它晶粒太小，橫向?qū)щ娦蕴?為什么橫向?qū)щ娦圆罘炊呛檬?因為如果橫向?qū)щ娦院昧耍诮鹱炙棙?gòu)的情況下，一旦鈣鈦礦成膜不均勻，就有分流shunt的危險，那就沒開壓什么事了，沒填充因子什么事了，也就沒鈣鈦礦子電池什么事了。但是另一方面，納米晶硅薄膜的縱向?qū)щ娦杂趾芎?，因為整個膜厚也就差不多一個晶粒厚度的樣子。這就是納米晶的神奇之處，換成微晶、非晶都不行。

(2018，Sahli，Nature Materials)

兔子把雙端鈣鈦礦-晶硅疊層電池關(guān)鍵的界面工藝為大家梳理了一下。離產(chǎn)業(yè)化有多遠?大家仁者見仁智者見智。至少在兔子看來，一些關(guān)鍵的技術(shù)瓶頸已經(jīng)有了解決的方案。

至于雙端還是四端還是三端疊層?有機會有興趣的話我們下文再分解。

原標題:一文盡析鈣鈦礦-晶硅疊層電池關(guān)鍵技術(shù)：疊層界面工藝