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光學工程
效率為20%且具有優異寬光譜響應的硅納/微米結構高效太陽電池

由于理想的陷光和幾乎不依賴角度的減反特性,硅納米結構在太陽電池器件方面得到了廣泛關注和研究。然而,硅納米結構具有較大的比表面積,其表面懸掛鍵和缺陷態密度很高,器件電學性能會受到大的表面復合速率影響, 導致器件整體性能下降。要提升硅納米結構陣列太陽電池輸出性能,需要對硅納米結構進行形貌優化、表面鈍化以及電池器件的綜合光電管理等,以提高器件的光電性能,優化器件在各個波段的光譜響應,最終實現光電轉換效率的提升。

近期,上海交通大學物理與天文系/太陽能研究所沈文忠教授研究組設計并制備了一種大面積(156×156mm2)新型高效太陽電池—硅納/微米復合結構太陽電池。最優的電池結果為:效率20.0%,開路電壓0.653V,短路電流達到9.484A(短路電流密度39.0mA/cm2)。該研究成果發表在Advanced Functional Materials [26, 1892-1898 (2016)]上。

該研究團隊在電池的正面引入硅納/微米陷光結構,在電池背面引入背鈍化結構,并對正、背面同時實施PECVD-SiO2/SiNx疊層鈍化。這種結構同時保證了正面(短波)和背面(長波)的優異光電性能。在短波光譜響應方面,相比于傳統微米金字塔太陽電池,硅納/微米結構的短波段減反射性能更優;通過在正面實施SiO2/SiNx疊層鈍化,使正面電學特性得到大大改善,這種正面的光電性能優化保證了電池良好的短波光譜響應。在長波光譜響應方面,背面SiO2/SiNx疊層鈍化介質膜的引入大大提高了長波內背反射率和降低了背表面復合速率,這種背面光電性能的提高保證了電池器件優異的長波段光譜響應。得益于以上兩點,硅納/微米結構太陽電池的優異寬光譜響應得以實現。

這種硅納/微米結構高效太陽電池所采用的制備工藝同現有產線工藝完全兼容,制備步驟相對簡單且成本較低,具備大規模商業化應用條件。

圖a) 硅納/微米結構太陽電池結構圖; 圖b) 具有硅納/微米結構的太陽電池和傳統太陽電池的外量子效率EQE比較; 圖c) 德國TüV萊茵論證的效率最高為20.0%的硅納/微米結構太陽電池的I-V曲線。


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