一文尽析钙钛矿-晶硅叠层电池关键技术:叠层界面工艺

2025-06-21 23:23:20 4088

(2017,Bush,Nature Energy)

也有人从微晶-非晶薄膜找到灵感,用反向的重掺硅做隧穿结层的,比如MIT研究组的工作(2015,Mailoa,APL)。所谓各有各的绝活。

(2015,Mailoa,APL)

最近更有UNSW的学者另辟蹊径,干脆这层界面层也给省了算了,找到一种材料SnO2,既能作为钙钛矿层的电子传导层,又能作为底层晶硅电池的复合接触层。钱省了效果还很好。只需要把晶硅电池的发射极方阻调一调,即可实现完美的整流接触(2018,Zheng,EES)。

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(2018,Zheng,EES)

然而无论如何,制绒的界面才是王道,毕竟钙钛矿-晶硅叠层电池的痛点和瓶颈在电流。只有金字塔绒面的陷光效果才好,才能提升电流。更何况,如果晶硅和钙钛矿接触的表面还需要抛光的话,这成本就好说不好听了,那产业化前景实在堪忧。道理谁都懂,可惜谁都做不出来。为什么呢?两大难题:第一是一旦晶硅制绒,表面就变得坑坑洼洼,再往上涂的钙钛矿材料,基本上都会掉进金字塔的底部,而金字塔尖则是光秃秃的,这轻则少子复合巨大,重则钙钛矿顶电极和晶硅顶部直接接触,直接就没钙钛矿电池什么事了。第二,即使不会完全掉进坑里,但是只要钙钛矿成膜稍有不均匀,就会把钙钛矿电池给分流(shunt),严重影响开压和填充因子。这两大难题,不知道困扰了多少才智之士。

瑞士EPFL的Ballif组今年终于找到了解决的办法(2018,Sahli,Nature Materials)。诀窍之一是物理沉积+溶液涂层的结合。物理蒸发的薄膜一定是指哪打哪儿,无论什么表面都贴的严严实实的,显然不会有溶液涂层那种受重力作用就会掉到坑里的问题。但是钙钛矿里面的有机卤化物成分又需要溶液旋涂。怎么办呢?这个研究组先用共蒸发的办法把“孔状”碘化铅框架镀到金字塔上,再往上面甩有机卤化物溶液。这些孔就会像海绵一样把有机卤化物均匀的吸到他们应该在的地方。再一烧结,均匀成膜!

(2018,Sahli,Nature Materials)

诀窍之二是用纳米晶硅取代ITO做钙钛矿-晶硅的界面复合层。此处不得不八卦两句。当年微晶/非晶硅叠层电池界第一大牛Ballif,不以物喜不以己悲,没有静静的跟着微晶/非晶薄膜电池一起衰败,而是转手把一套非晶硅薄膜的诀窍刷到HIT电池上,成为HIT的一方豪强;如今又把这纳米晶硅薄膜的诀窍用到了叠层上,直接玩出了25.2%叠层记录的新高度!这也算是冥冥天意,峰回路转不由人!为什么纳米晶硅复合层这么神奇?

说起来有点反直觉,正是因为它晶粒太小,横向导电性太差!为什么横向导电性差反而是好事?因为如果横向导电性好了,在金字塔织构的情况下,一旦钙钛矿成膜不均匀,就有分流shunt的危险,那就没开压什么事了,没填充因子什么事了,也就没钙钛矿子电池什么事了。但是另一方面,纳米晶硅薄膜的纵向导电性又很好,因为整个膜厚也就差不多一个晶粒厚度的样子。这就是纳米晶的神奇之处,换成微晶、非晶都不行。

(2018,Sahli,Nature Materials)

兔子把双端钙钛矿-晶硅叠层电池关键的界面工艺为大家梳理了一下。离产业化有多远?大家仁者见仁智者见智。至少在兔子看来,一些关键的技术瓶颈已经有了解决的方案。

至于双端还是四端还是三端叠层?有机会有兴趣的话我们下文再分解。

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