減少鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池中的反射損耗研究

鈣鈦礦太陽能電池是以鈣鈦礦型晶體為主要吸光材料的太陽能電池，具有高光電轉(zhuǎn)換效率、結(jié)構(gòu)簡單、制備工藝多樣化、成本低等優(yōu)點。目前，單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池的理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)33%，而現(xiàn)在受到市場廣泛關(guān)注的鈣鈦礦/硅串聯(lián)太陽能的理論轉(zhuǎn)化效率可達(dá)43%，且具有突破單結(jié)太陽能電池Shockley-Queisser極限的潛力。然而，內(nèi)部界面的反射損耗對串聯(lián)電池的整體效率起著至關(guān)重要的作用。來自美能的RTIS絨面反射儀，可以測試制絨片對不同波長段的光反射率強(qiáng)度，并進(jìn)行多點自動測量，最終以可視化曲線呈現(xiàn)測試結(jié)果，幫助客戶監(jiān)控電池片反射率、膜厚信息。

反射損失的研究

太陽能電池光學(xué)損失主要包括反射損失和寄生吸收等兩方面。減少電池中的反射損失途徑主要包括兩方面，一是在太陽能電池前表面設(shè)計一層減反射層，增加前表面抗反射能力。二是使用絨度襯底，將進(jìn)入太陽能電池的光吸收最大化。兩者都能有效的提高光吸收。

寄生吸收首先，我們簡單介紹下寄生吸收。太陽能電池中非活性層的吸收稱為寄生吸收，這些吸收對太陽電池中的短路電流密度沒有貢獻(xiàn)，所以對寄生吸收的改善在光學(xué)優(yōu)化中很重要。在非吸收層中，造成寄生吸收的主要原因是透明導(dǎo)電層對光的吸收。透明導(dǎo)電層主要有石墨烯、銀納米線電極、MoOx作為緩沖層的薄金屬層、摻鋅的氧化銦（indium zinc oxide，IZO）或者ITO等，每種材料都有其優(yōu)缺點。

分析太陽能電池的光損耗，能直接看出所有材料的寄生吸收，從而針對性發(fā)對寄生吸收大的材料進(jìn)行厚度、材料、帶隙等方面的優(yōu)化。不同結(jié)構(gòu)的太陽能電池引起主要寄生吸收的材料不同，優(yōu)化方式也隨之改變。寄生吸收的優(yōu)化對疊層電池光學(xué)優(yōu)化有著十分重要的影響。

反射損失在鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池中，反射損耗占光學(xué)損耗的很大一部分，而減反射層的設(shè)計可以降低光反射，增加光吸收。減反層通常使用的材料有LiF和MgF2材料，或LM箔和PDMS等反射層結(jié)構(gòu)。

2017年，美國亞利桑那州立大學(xué)Manzoor等人，將帶有無規(guī)則金字塔的PDMS聚合物制成的涂層，使用在具有平面前后表面制絨的硅電池片上，分別獲得了3.0和1.7mA/cm2的短路電流密度提升，并且將此涂層運用到鈣鈦礦太陽能電池上。PDMS層由于較小的折射率，能夠降低太陽能電池正面反射率和調(diào)整疊層電池的電流失配問題。

有、無PDMS減反層的太陽能電池EQE對比

2018年，德國亥姆霍茲研究所在疊層電池的正面采用了制絨的LM箔，疊層器件效率從23.4%提升至25.5%。

LM箔作減反層的優(yōu)化結(jié)果對比不過由于PDMS和LM箔是一種聚合物，光學(xué)性質(zhì)的模擬工作復(fù)雜，所以很多工作中減反層用的都是MgF2和LiF，并且MgF2和LiF的吸收較低，工藝上能做到厚度更薄，對于入射光的減反射效果較好。

德國亥姆霍茲研究所在2019年把LiF應(yīng)用在疊層電池中，同時對鈣鈦礦厚度進(jìn)行優(yōu)化，最后獲得了26%的轉(zhuǎn)換效率和1.4mA/cm2的短路電流密度提升。同年，德國弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所也使用了另一種減反射材料MgF2，光學(xué)性能得到大大改善。

LiF（左）、MgF2（右）作減反層的電池優(yōu)化結(jié)果對比

襯底陷光結(jié)構(gòu)在鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池中，襯底陷光結(jié)構(gòu)能使入射光在太陽能電池內(nèi)部進(jìn)行多次反射，充分吸收光從而減少反射損失。通過制絨可以使襯底表面織構(gòu)化，形成類金字塔的陷光結(jié)構(gòu)，這樣的陷光結(jié)構(gòu)對紅外光子的吸收增加，產(chǎn)生更多的光生載流子，電池整體的電流和效率也隨之提高。因此對襯底陷光結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也非常重要，有效的陷光結(jié)構(gòu)設(shè)計能大幅度提升電池性能。

未使用（左）、使用（右）陷光結(jié)構(gòu)的電池EQE圖

沒有襯底陷光結(jié)構(gòu)的太陽能電池，即平面硅表面上沉積鈣鈦礦頂電池的疊層電池的反射損失很嚴(yán)重。雙面制絨的硅作為底電池的疊層電池光學(xué)性能最優(yōu)。

具有單面制絨、雙面制絨的太陽能電池的光損耗對比圖