前沿光伏技能之三结叠层电池：从“航天贵族”到“全民动力”

  传统的硅基太阳电池功率已接近理论极限，而科学家们早已将目光投向了多结叠层太阳电池，尤其是三结叠层太阳电池(Triple-Junction Tandem Solar Cells, TJSCs)——它能将太阳光分段吸收，理论功率高达51.8%(AM1.5G规范光谱)[1]，远超传统单结太阳电池的33.7%[2]。

  前期的三结叠层太阳电池选用III-V族半导体资料(如GaInP/GaAs/Ge)，虽在航天范畴完成超40%的功率[3]，但昂扬本钱阻止了其地上运用。2010年后，跟着钙钛矿资料的兴起，三结叠层技能迎来转折点。钙钛矿资料兼具带隙可调、溶液法制备、本钱低一级优势，使得高效三结叠层电池的规模化运用成为或许。

  那么，三结电池凭什么这么强?它会是光伏的潜力股吗?本文将全面剖析三结叠层太阳电池的根底原理和结构规划，剖析其在功率前进方面的优势，并讨论当时研讨难点及未来运用远景，提醒这一技能怎么经过更高效地运用太阳光谱，将光伏转化功率面向新的高度。

  AM1.5G太阳光的光谱很宽(300-2500 nm)，但一般硅电池只能吸收其间一部分，其他能量要么“吃不掉”(红外光)，要么“吃太撑”(紫外光变成热量糟蹋)。

  TJSCs经过堆叠三个不同带隙的子电池，每层子电池专门捕获和转化特定波长规模的太阳能。当阳光从通明电极入射时，高能量光子被宽带隙资料(图1(a)蓝域)吸收，中低能光子被中心带隙资料(图1(a)绿域)吸收，低能光子被窄带隙资料吸收(图1(a) 橙域)。因而，互补的吸收层带隙组合能够更好地运用太阳光谱，削减热化丢失，并完成比单结电池更高的理论功率极限。

  如图1 (a) 所示，这种阶梯式带隙摆放的电池使全波段的光子能被最合适的资料层吸收，前进光谱运用率，极大地前进了光电转化功率。而钙钛矿资料的禁带宽度能够在1.2-3.0 eV之间接连调理[5]，这为构建多结叠层太阳电池供给了新的挑选。三结钙钛矿基叠层太阳电池功率演化如图1 (b) 所示，其间钙钛矿/钙钛矿/硅叠层太阳电池具有更高的功率潜力。图1 (c) 中三种不一样的TJSCs分别为钙钛矿/钙钛矿/硅叠层太阳电池、全钙钛矿叠层和钙钛矿/钙钛矿/有机叠层太阳电池。

  图 1 (a) 三结叠层太阳电池光呼应原理; (b) 三结钙钛矿基叠层太阳电池功率演化; (c) 三结钙钛矿基叠层太阳电池结构示意图[4]

  根据底部电池的类型，多结叠层太阳电池的功用层堆积次序不同。因为光需求从宽带隙吸光层侧入射，在全钙钛矿叠层和钙钛矿/钙钛矿/有机叠层太阳电池中，宽带隙钙钛矿薄膜最早堆积在导电玻璃衬底上，之后堆积中心带隙钙钛矿电池，最终堆积窄带隙的钙钛矿电池或有机电池。而在钙钛矿/钙钛矿/硅叠层太阳电池中，硅电池自身充任衬底，在其外表顺次堆积中心带隙钙钛矿层和宽带隙钙钛矿层。

  两头叠层电池中，各子电池间经过中心互连层构成电学衔接，需求必定的电导率促进电子和空穴的有用复合[6]，并要保证高透光性(低寄生光吸收和低光反射)，以下降光学损耗。此外，还要求中心互连层具有较强的溶剂隔绝才能，保证二次制备钙钛矿时前一层钙钛矿薄膜不被溶解[7]。得益于在双结叠层电池范畴获得的成果，研讨人员现已承认反式p-i-n结构的钙钛矿太阳电池具有较低的光学损耗[8]，更适合构建叠层电池。

  抱负带隙组合(硅基底电池：1.95/1.44/1.1 eV;全钙钛矿：2.04/1.58/1.22 eV)与实践资料不匹配，顶电池宽带隙钙钛矿(1.85–2.15 eV)研讨匮乏，现有资料难以统筹宽带隙与安稳性(如有机-无机混合钙钛矿需高溴含量，但易引发相别离)。此外，串联的TJSCs输出电流受限于最低电流子电池，需准确调控各层厚度与带隙(图2模仿显现最佳组合功率仅38.8%)。因而，最佳TJSCs带隙组合尚待完成。

  现在，宽带隙钙钛矿资料体系最重要的包括准二维钙钛矿、碘溴混合的有机-无机复合钙钛矿和无机钙钛矿[4]。其间，二维钙钛矿具有高激子结合能和低载流子搬迁率;全无机钙钛矿常常要200℃以上的退火进程，有必要优先制备，否则会构成底层和中心钙钛矿太阳电池的降解[10];而碘溴混合钙钛矿在光照下构成富溴/富碘区，这些区域缺点添加导致电荷复合添加，继而构成开路电压和功率衰减。

  为处理宽带隙钙钛矿安稳性问题，已研讨出多种处理方案[4]：选用组分工程例如掺铷、钾引发晶格畸变，按捺离子搬迁;选用添加剂硫氰酸铅(Pb(SCN)₂)增大晶粒尺度，苯乙基磺化铵(PEAI)改进钙钛矿结晶均匀性;在三维钙钛矿外表旋涂胺盐(如PEAI/BABr)制备二维钙钛矿层，进行界面钝化，隔绝离子分散等。

  在TJSCs电池中，子电池经过中心互连层串联在一起，中心层构成折射率差异会导致较大的光学搅扰，然后呈现不必要的光学丢失。因而，削减反射丢失以及最小化中心互连层的寄生吸收至关重要。此外，中心互连层除了满意低电阻损耗和高光学通明度等根底要求外，横向电导率也应尽或许低，削减钙钛矿顶部电池中的漏电途径，完成更大面积的串联器材。别的，互联层制备工艺不相容，易构成底电池损害。

  可折中挑选TCO叠加原子层堆积SnO₂缓冲层来削减溅射损害[11]，或选用在聚乙氧基化乙烯亚胺(PEIE)涂层上溅射ITO[12]等方法制备中心互联层。

  钙钛矿电池大多选用溶剂法制备，而上层钙钛矿溶液(含DMF/DMSO溶剂)溶解基层薄膜会损坏电池结构。可选用低极性溶剂(乙醇/甲胺)，或线]。别的，工艺中还存在退火温度抵触，顶电池高温退火(150℃)会导致底层有机资料/钙钛矿降解;互联层TCO在溅射制备进程中对下方膜层构成损害，需ALD-SnO₂或PEIE缓冲层维护(添加工艺复杂度)[12]。

  TJSCs电池经过带隙调理和工艺优化，有望打破单结电池的功率极限，成为下一代光伏技能的中心。钙钛矿资料的引进逐渐下降了制作本钱，并供给了更高的规划灵活性。虽然仍面对安稳性、工艺兼容性等应战，但跟着资料科学和制作技能的前进，TJSCs电池有望完成商业化运用，推进光伏工业迈向50%的更高功率年代。

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