10001891_钙钛矿硅叠层电池光吸收增强的研究

钙钛矿/硅叠层电池光吸收增强的研究 黄伟 石标 侯福华 辛晨光 杜亚雯 魏长春 任慧志 张德坤 赵颖 张晓丹 （南开大学光电子薄膜器件与技术研究所，天津市光电子薄膜器件与技术重点实验室，天津， 300071） 摘要：钙钛矿/硅叠层太阳电池由于其具有可突破晶硅太阳电池理论极限效率的优势，而得到 了广大科研人员和产业的关注。本文主要针对如何降低该类电池的光反射进行了研究，通过对 电池结构的设计与分析，提出引入折射率匹配的材料进行了减反射的研究。通过借鉴产业化成 熟的蒸发工艺，进行了材料不同厚度的调控。获得了不同厚度减反射材料来实现不同波长谱域 光利用的有效增强的规律，结果使得叠层太阳电池的效率突破了 22%。该研究为进一步提高太 阳电池的效率提供了很好的基础。 关键字：氟化镁；增透膜；钙钛矿/硅叠层电池 1.研究背景及内容 为了提升钙钛矿/硅叠层太阳能电池的光电转换效率，电流作为一项关键参数需要得到进一 步提高，因此我们可以考虑优化器件的光学性能。通过减弱入射太阳光在薄膜表面反射，使得 更多的光被太阳电池的吸收层利用，产生更多光生载流子，有利于提升整个器件的电流。氟化 镁是一种重要的光学薄膜材料，尤其是紫外波段低吸收的特点使其成为该波段位数不多的光学 薄膜材料之一，其可见波段折射率是 1.38，是应用最广泛的单层增透膜材料，广泛运用于光电 探测器和太阳能电池 [1]等领域。 本文研究的内容主要有：研究减反层的厚度对底电池 EQE 曲线峰位的影响来实现钙钛矿/ 硅叠层电池顶底电池的匹配，从而提升叠层电池的电流，使得器件的光电转换效率进一步提高。 2.研究结果与讨论 (a) (b) 图 1（a）叠层电池的顶电池结构图 （b）为增加氟化镁前后顶电池的光学透过及反射曲线 如图 1（a）所示，入射太阳光会首先经过钙钛矿/硅叠层电池的 ITO 层，鉴于 ITO 材料的 折射率较高（1.9 左右） ，会有相当一部分的光会被反射损失而未被器件利用，因而需要在 ITO 层上方蒸发一层 MgF2 减反增透层。通过引入 MgF2 增透减反层，让空气-减反层-PET 形成折射 率梯度，从而有效降低 ITO 层的光学反射。从如图 1（b）中明显看出增加减反层后钙钛矿顶电 池的入射光反射明显减少，长波段的这部分光学增益可以被硅底电池利用，从而使得整个叠层 电池的电流更加匹配。 (a) (b) (c) (d) 图 2（a）为不同氟化镁厚度下的底电池 EQE 曲线 （b）为叠层电池顶底电池 EQE 曲线 （c）为增加氟化镁前后叠层电池 J-V 曲线及相关参数 （d）增加氟化镁后最高效率的叠层电池 J-V 曲线及相关参数 MgF2 减反层是通过光波之间的干涉相消来达到减反的效果。减反层的厚度直接决定光波在 减反层介质内传播时的相位，从而会影响光波之间的相干作用。如图 2（a）所示为不同厚度的 氟化镁层对底电池光电流的影响，可通过合适的氟化镁厚度改变 EQE 电流曲线的峰位，从而提 升电流使得底电池电流和钙钛矿顶电池的电流更加匹配。如图 2（b） 、 （c） 、 （d）显示了增加氟 化镁减反层后，叠层电池的电流显著提升，使得叠层太阳电池的效率突破了 22%。 3. 结论 本文为了提升钙钛矿/硅叠层太阳电池的电流，对如何降低该类电池的光反射进行了研究， 提出引入折射率匹配的材料进行了减反射的研究，测试了减反层对器件光学性能的影响。同时， 进一步研究总结了不同厚度减反射材料来实现不同波长谱域光利用的有效增强的规律，通过合 适的减反层厚度使得叠层电池中的顶、底电池之间的电流更加匹配，从而有效提升了钙钛矿/硅 叠层太阳电池光电转换效率。 参考文献： [1] Yang D, Yang R, Ren X, et al. Hysteresis Suppressed High Efficiency Flexible Perovskite Solar Cells Using Solid State Ionic Liquids for Effective Electron Transport[J]. Advanced Materials, 2016, 28(26): 5206-5213. 致谢 本文工作得到国家自然科学基金项目 (61474065, 61504069)和 111 引智项目(B16027)的支持。 作者简介： 姓名：张晓丹 主要研究方向：无机太阳电池；钙钛矿太阳电池；催化材料；等离子体诊断和模拟 通讯作者联系方式：电话：13820413518，Email: xdzhang@nankai.edu.cn 通讯地址：天津市卫津路 94 号南开大学伯苓楼光电子薄膜器件与技术研究所 邮政编码：300071