王其 延玲玲 陳兵兵 李仁杰王三龍 王鵬陽(yáng) 黃茜 許盛之侯國(guó)付 陳新亮 李躍龍 丁毅張德坤 王廣才 趙穎? 張曉丹?

1) (南開大學(xué), 光電子薄膜器件與技術(shù)研究所, 太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換中心, 天津 300350)

2) (天津市光電子薄膜器件與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300350)

3) (薄膜光電子技術(shù)教育部工程研究中心, 天津 300350)

4) (化學(xué)科學(xué)與工程協(xié)同創(chuàng)新中心, 天津 300072)

5) (南開大學(xué)可再生能源轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存中心, 天津 300072)

近幾年, 鈣鈦礦/硅異質(zhì)結(jié)疊層太陽(yáng)電池發(fā)展迅速, 效率已經(jīng)從13.7%提升到29.1%.由于疊層電池器件的制作工藝復(fù)雜, 而疊層太陽(yáng)電池中的光學(xué)損失對(duì)轉(zhuǎn)換效率的影響很大, 所以通過(guò)光學(xué)模擬進(jìn)而獲得高效電池至關(guān)重要.本文首先從商業(yè)軟件和自建模型兩方面概述了光學(xué)模擬的方法, 接著從反射損失和寄生吸收兩方面針對(duì)光學(xué)模擬研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)和分析, 最后指出了疊層電池光學(xué)模擬過(guò)程中需要注意的問(wèn)題.鈣鈦礦/硅異質(zhì)結(jié)疊層太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率極限最高可達(dá)40%, 具備很大的提升空間, 結(jié)合模擬工作的研究, 疊層電池的發(fā)展將會(huì)取得更大的進(jìn)步.

1 引 言

采用背接觸晶硅電池(interdigitated back contact, IBC)與異質(zhì)結(jié)晶硅電池(heterojunction with intrinsic thin layer, HIT)結(jié)合工藝制備的晶硅電池效率世界記錄為26.7%[1].晶硅電池的理論極限效率為29.4%, 考慮到光學(xué)與電學(xué)的實(shí)際可能的損失后, 其實(shí)際的理論效率只有27.1%[2], 效率提升空間有限.而鈣鈦礦近年來(lái)發(fā)展迅速[3], 具有帶隙可調(diào)、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn), 適宜做頂電池吸收層材料.模擬結(jié)果顯示, 頂電池吸收層材料的適宜帶隙應(yīng)為1.6—1.9 eV[4], 最常用的吸收材料一般為甲胺鉛碘(CH3NH3PbI3, 即MAPbI3[5])或者甲脒鉛碘(HC(NH2)2PbI3, 即FAPbI3[6])及其相近變體.隨著疊層電池的發(fā)展, 發(fā)現(xiàn)Cs 離子、Rb 離子以及Cl離子、Br 離子在鈣鈦礦吸收劑中摻雜會(huì)使得頂電池性能提升明顯, 如Cs0.07Rb0.03FA0.765MA0.135Pb(I0.85Br0.15)3[7], Cs0.1FA0.9PbI2.865Br0.135[8]作為頂電池吸收材料的使用, 顯著地提升了疊層電池的性能.如果能將晶硅電池和鈣鈦礦電池結(jié)合起來(lái), 效率將會(huì)有更大的提升.

疊層電池的概念最初是由Jackson[9]提出的,因其寬光譜吸收、高開路電壓(VOC)、高效率和低成本等優(yōu)點(diǎn)受到人們的廣泛關(guān)注.其轉(zhuǎn)換效率的理論極限最高達(dá)46.1%[4].而鈣鈦礦/硅異質(zhì)結(jié)疊層電池也有著巨大的潛力.鈣鈦礦/硅異質(zhì)結(jié)疊層器件常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)有四端和兩端串聯(lián)兩種, 如圖1(a)和圖1(b)所示[10].機(jī)械堆疊的四端結(jié)構(gòu), 兩個(gè)子單元獨(dú)立放置并連接, 可以獨(dú)立地保持在最大功率點(diǎn).但四端結(jié)構(gòu)會(huì)使所有外部電力設(shè)備(如逆變器)加倍工作.鈣鈦礦/硅異質(zhì)結(jié)兩端疊層太陽(yáng)電池的頂、底電池直接串聯(lián)減少了子電池中功能層的使用, 頂、底電池之間通過(guò)具有高效率的隧穿結(jié)連接, 如錫摻雜的氧化銦 (indium tin oxide, ITO)等, 這樣能使更多的光子到達(dá)底電池.兩端疊層太陽(yáng)電池制備過(guò)程簡(jiǎn)單, 減少了寄生吸收, 增加了太陽(yáng)光的利用率, 適合產(chǎn)業(yè)化.最新的研究報(bào)告指出,德國(guó)亥姆霍茲研究所(HZB)創(chuàng)造了鈣鈦礦/硅疊層電池的最高效率, 達(dá)29.1%[11].通過(guò)理論計(jì)算得出鈣鈦礦/硅異質(zhì)結(jié)疊層太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率超過(guò)30%, 最高可超過(guò)40%[12?14].相比于單結(jié)太陽(yáng)電池, 超過(guò)了Shockley-Quiesser(S-Q)極限[15], 有著非常好的發(fā)展前景.

在兩端疊層太陽(yáng)電池中, 鈣鈦礦材料充當(dāng)頂電池的有效光學(xué)吸收層主要吸收短波段范圍(300—800 nm)的光, 晶硅(c-Si)作為底電池的光學(xué)吸收層吸收長(zhǎng)波段范圍(800—1200 nm)的光.電流取決于子電池中的最小電流, 合理分配光譜, 使頂、底電池電流匹配, 達(dá)到最大輸出電流, 顯得至關(guān)重要.光學(xué)優(yōu)化能夠提高光利用率, 通過(guò)實(shí)施光學(xué)管理策略來(lái)改善器件的不足, 這對(duì)電池效率的提升以及厚度的減薄都具有非常重要的意義.圖1(c)和圖1(d)分別給出了鈣鈦礦(CH3NH3PbBr3)和晶硅(c-Si)吸收層的光學(xué)常數(shù)[16,17].

圖1 鈣鈦礦/硅疊層太陽(yáng)電池 (a)四端結(jié)構(gòu)和(b)兩端結(jié)構(gòu)[10]; (c)鈣鈦礦和(d) 晶硅吸收層的光學(xué)常數(shù)[16,17]Fig.1.(a) Four terminal structure and (b) two terminal structure[10] of the perovskite / silicon tandem solar cells; optical constants of (c) perovskite and (d) c-Si absorbers[16,17].

鈣鈦礦/硅異質(zhì)結(jié)疊層太陽(yáng)電池光學(xué)模擬工作主要從材料的光學(xué)常數(shù)出發(fā), 對(duì)整體器件進(jìn)行模擬, 分析器件中每層材料的光學(xué)損耗, 進(jìn)而對(duì)實(shí)驗(yàn)提出針對(duì)性改進(jìn), 提升器件整體的光學(xué)性能.日本岐阜大學(xué)Fujiwara 等[18]在2014 年采用光學(xué)導(dǎo)納法對(duì)CuIn1–xGaxSe2太陽(yáng)電池進(jìn)行了光損失分析, 并取得了理想的結(jié)果.此后幾年, 他們又將這種方法推廣到鈣鈦礦/硅異質(zhì)結(jié)疊層太陽(yáng)電池的光學(xué)模擬優(yōu)化中, 并在以平面或絨面硅做底電池的疊層電池中取得了很好的優(yōu)化結(jié)果[19,20].瑞士Altazin 等[21]也在2018 年對(duì)底電池的襯底陷光結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析, 并且取得了19.6 mA/cm2的最大短路電流密度.底電池的優(yōu)化使疊層電池對(duì)長(zhǎng)波段光的吸收明顯改進(jìn), 但同時(shí)鈣鈦礦頂電池由于近年來(lái)發(fā)展迅速, 具有更大的光學(xué)優(yōu)化潛力.2018 年, 德國(guó)亥姆霍茲研究所針對(duì)頂電池鈣鈦礦層的厚度進(jìn)行了優(yōu)化, 進(jìn)一步提升了器件的性能[22].2019 年, 澳大利亞國(guó)立大學(xué)對(duì)鈣鈦礦/硅異質(zhì)結(jié)疊層電池進(jìn)行了外量子效率(external quantum efficiency, EQE)模擬, 并對(duì)鈣鈦礦層的厚度和帶隙都進(jìn)行了優(yōu)化[23].但是由于疊層電池頂、底電池串聯(lián), 整體電流取決于較小的一方.除了對(duì)頂、底電池分別優(yōu)化外, 還應(yīng)綜合考慮, 保持頂、底電池的電流匹配.另外, 近年來(lái)的光學(xué)模擬工作在器件的寄生吸收和反射損失兩方面還有很大的提升空間.

本文一方面從軟件模擬和自建模型模擬分析了現(xiàn)有的光學(xué)模擬的方法.另一方面, 從減反層的選擇、襯底陷光結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、寄生吸收優(yōu)化以及對(duì)非吸收層材料的優(yōu)化等方向?qū)︹}鈦礦/硅異質(zhì)結(jié)疊層太陽(yáng)電池的光學(xué)優(yōu)化工作做了相關(guān)的介紹.最后對(duì)未來(lái)鈣鈦礦/硅異質(zhì)結(jié)疊層太陽(yáng)電池的光學(xué)優(yōu)化進(jìn)行了展望.

2 光學(xué)模擬的方法

針對(duì)疊層電池光學(xué)模擬的方法有很多種, 但基本上都要對(duì)器件進(jìn)行光學(xué)建模.不同的方法, 建模的方式也不同, 從而分析的結(jié)果和精度都有所差別.因而根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的方法非常重要.這些模擬方法總體上可以分為使用商用軟件模擬和自建模型模擬.

2.1 商用軟件模擬

因?yàn)樯逃密浖?jiǎn)單快捷, 大多數(shù)針對(duì)疊層電池的模擬都是通過(guò)軟件來(lái)進(jìn)行的.常見(jiàn)的軟件模擬包有TCAD[24,25], FDTD[26], AFORS-HET[27], GenPro4[28,29], OPTOS[30], JCMsuite[22]等.這些軟件是通過(guò)寫好的程序包結(jié)合已經(jīng)建立的電池光學(xué)模型,對(duì)電池器件或太陽(yáng)光譜在不同的角度進(jìn)行仿真并優(yōu)化.圖2(a)和圖2(b)分別是基于OPTOS 和JCMsuite 軟件的光學(xué)建模過(guò)程.在表1 中對(duì)這些光學(xué)模擬軟件進(jìn)行了簡(jiǎn)單的概括.

圖2 (a) 基于OPTOS 軟件的光傳播模擬過(guò)程[31]; (b) 基于JCMsuite 的光伏建模過(guò)程[32]Fig.2.(a) Light spread process simulated by OPTOS[31];(b) the optical model built by JCMsuite[32].

對(duì)光伏器件模擬的軟件包有很多, 針對(duì)模擬內(nèi)容和要求選擇合適的軟件模擬包可以輕松完成模擬工作.如果要求復(fù)雜或使用軟件難以做到, 需要考慮自建模型模擬方法.

2.2 自建模型模擬

軟件模擬的模型固定, 遇到與軟件內(nèi)部模型不符合的情況時(shí)常常難以進(jìn)行.而自建模型可調(diào)整性強(qiáng), 能有效地指導(dǎo)實(shí)驗(yàn), 有些機(jī)構(gòu)通過(guò)自建模型方法實(shí)現(xiàn)對(duì)疊層器件的模擬, 這種自建模型對(duì)疊層電池的光學(xué)優(yōu)化工作一般從材料的光學(xué)常數(shù)出發(fā), 利用材料的光學(xué)常數(shù)結(jié)合轉(zhuǎn)換矩陣等方法計(jì)算出其反射、透射曲線, 進(jìn)而得出整體EQE 吸收曲線[47,48].通過(guò)EQE 曲線以及各層材料吸收曲線對(duì)器件進(jìn)行光損耗分析, 進(jìn)而根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整電池中材料的厚度、帶隙等參數(shù), 將器件的光吸收最大化.

而自建模型的重點(diǎn)通常在材料的光學(xué)常數(shù)擬合上.通常, 使用橢圓偏振儀測(cè)量材料光學(xué)常數(shù)最為精確, Gong 等[49]在2017 年使用這種方法精確測(cè)量了SiO2等材料的光學(xué)常數(shù).國(guó)內(nèi), 徐繼鵬等[50]和李江等[51]同樣使用了橢圓偏振儀精確測(cè)量了透明玻璃上材料的光學(xué)常數(shù).值得一提的是, 這種方法還能精確測(cè)量膜厚, 有利于后續(xù)模擬工作.也有些方法不需要借助儀器使得模擬過(guò)程更加簡(jiǎn)便.早在2009 年P(guān)range 等[52]提出了基于單粒子密度算子的線性光學(xué)常數(shù)理論.2010 年, Minkov[53]和Marquezt 等[54]利用反射光譜和透射光譜結(jié)合計(jì)算機(jī)迭代算法計(jì)算了材料的光學(xué)常數(shù).隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 計(jì)算機(jī)算法在擬合光學(xué)常數(shù)的過(guò)程中使用越來(lái)越頻繁.常用的優(yōu)化算法有蟻群算法(ant colony optimization)[55]、模擬退火算法(simulated annealing)[56]、遺傳算法(genetic algorithms)[57]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(neural networks)[58]以及各種混合優(yōu)化算法.這些尋優(yōu)算法都能很好地尋找目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解, 從而擬合出比較符合實(shí)驗(yàn)材料的光學(xué)常數(shù).2016 年, 日本Fujiwara 課題組[19,20]就將模擬退火算法結(jié)合光學(xué)導(dǎo)納法應(yīng)用到鈣鈦礦及其他類型太陽(yáng)電池的模擬上, 取得了不錯(cuò)的結(jié)果, 圖3(a)—圖3(c)顯示了光學(xué)導(dǎo)納法的計(jì)算過(guò)程以及計(jì)算結(jié)果分析.2018 年, 德國(guó)杜伊斯堡大學(xué)又將傳輸矩陣結(jié)合遺傳算法應(yīng)用到鈣鈦礦/硅異質(zhì)結(jié)疊層太陽(yáng)電池的模擬工作中, 對(duì)器件的隧穿結(jié)進(jìn)行光學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì), 獲得了0.82 mA/cm2的短路電流密度的提升[59], 圖3(d)給出了基于傳輸矩陣和遺傳算法的模擬結(jié)果分析.

表1 商用軟件模擬包及其功能Table 1.Simulation package of commercial software and its functions.

圖3 (a) 光學(xué)導(dǎo)納法自建模型的光線分析過(guò)程[19]; CH3NH3PbI3 為吸收層的太陽(yáng)電池的(b)結(jié)構(gòu)和(c)光學(xué)損耗分析[19]; (d) 鈣鈦礦/硅異質(zhì)結(jié)疊層太陽(yáng)電池隧穿結(jié)優(yōu)化的光損耗分析[59]Fig.3.(a) Light analysis process of optical admittance method[19]; (b) structure and (c) optical loss analysis of solar cells with CH3NH3PbI3 as absorber[19]; (d) tunnel junction optical loss analysis of perovskite / silicon tandem solar cells[59].

另外, 還有一些光學(xué)常數(shù)擬合工作使用的是光學(xué)薄膜的物理色散模型.由于薄膜的光學(xué)常數(shù)表達(dá)式為N(λ) = n(λ) + ik(λ), 其中N 是復(fù)折射率,n 是折射率, k 是消光系數(shù), λ 是波長(zhǎng).這種關(guān)系不是簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng), 對(duì)不同的介質(zhì)材料相應(yīng)的制約因素也不同.這種對(duì)應(yīng)關(guān)系主要由材料的色散模型所決定.常見(jiàn)的色散模型有Cauchy 模型、F-B 模型、Sellmeier 模型、Tauc-Lorentz 模型等.這些色散模型對(duì)應(yīng)模擬的薄膜材料的性質(zhì)列于表2.

表2 光學(xué)色散模型及其適用材料Table 2.Optical dispersion model and its applicable materials.

商用軟件模擬由于器件模型固定, 模擬過(guò)程簡(jiǎn)單高效.自建模型因?yàn)榭蓪?duì)模型進(jìn)行調(diào)試, 更接近實(shí)驗(yàn), 結(jié)果更精確.如果把自建模型和商用軟件模擬結(jié)合起來(lái), 利用自建模型的精確性和軟件方便快捷的特點(diǎn)能更進(jìn)一步提升模擬的效率, 這將是一條模擬方法上的新思路.

3 光學(xué)優(yōu)化的進(jìn)展

光學(xué)損失主要包括反射損失和寄生吸收兩方面.為此, 本文重點(diǎn)關(guān)注了降低電池中反射損失和寄生吸收的光學(xué)優(yōu)化工作的進(jìn)展.

3.1 反射損失

減少反射損失的途徑包括兩部分: 一是在器件前表面設(shè)計(jì)一層減反層增加前表面的抗反射能力進(jìn)而減少逃逸出器件的光; 二是使用絨度襯底, 將進(jìn)入器件的光吸收最大化.二者都能有效提高光吸收.

3.1.1 減反層

在疊層器件中, 反射損耗占光學(xué)損耗的很大一部分, 而減反層可以降低光反射, 增大光吸收.所以減反層的設(shè)計(jì)在模擬工作中極為重要.減反層(anti-reflective coating, ARC)通常使用的材料有LiF[65]和MgF2[66]材料, 或LM 箔[67]和PDMS[68]等反射層結(jié)構(gòu).

2017 年, 美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)Manzoor 等[69]將帶有無(wú)規(guī)則金字塔的PDMS 聚合物制成的涂層,分別使用在平面的器件和具有平面前表面后表面制絨的硅電池上, 分別獲得了3.0 和1.7 mA/cm2的短路電流密度提升.并且, 將此涂層應(yīng)用于平面鈣鈦礦太陽(yáng)電池上, 獲得了1.9 mA/cm2的短路電流密度提升.使用PDMS 作減反層的器件結(jié)構(gòu)和光學(xué)分析結(jié)果如圖4(a)和圖4(b)所示.PDMS 層由于較小的折射率, 能夠降低器件正面反射率和調(diào)整疊層電池的電流失配問(wèn)題.2018 年, 德國(guó)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%[67], 器件結(jié)構(gòu)和模擬結(jié)果分析如圖4(c)—圖4(e)所示.同年, 南開大學(xué)侯福華等[70]將PDMS 減反層應(yīng)用在疊層電池上, 獲得了21.93%的效率和1.72 mA/cm2的短路電流密度提升.

不過(guò), 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(duì)于入射光的減反射效果較好.德國(guó)亥姆霍茲研究所在2019 年把LiF應(yīng)用在疊層電池中, 同時(shí)對(duì)鈣鈦礦厚度進(jìn)行優(yōu)化,最后獲得了26%的轉(zhuǎn)換效率和1.4 mA/cm2的短路電流密度提升[71], 結(jié)果顯示在圖5(a)和圖5(b)中.同年, 德國(guó)弗勞恩霍夫太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所也使用了另一種減反射材料MgF2, 光學(xué)性能大大改善[72],其結(jié)構(gòu)和模擬分析結(jié)果如圖5(c)所示.更多使用減反層的模擬工作列在表3 中.

3.1.2 襯底陷光結(jié)構(gòu)

在疊層電池中, 襯底陷光結(jié)構(gòu)能使入射光在太陽(yáng)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(guò)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(duì)紅外光子的吸收增加, 產(chǎn)生更多的光生載流子, 器件整體的電流和效率也隨之提高.因此對(duì)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(jì)能大幅度提升器件性能.

圖4 (a) PDMS 作減反層的電池結(jié)構(gòu)[69]; (b) 有、無(wú)PDMS 減反層的器件EQE 對(duì)比[69]; (c) LM 箔作減反層的電池結(jié)構(gòu)[67];(d), (e) LM 箔作減反層的優(yōu)化結(jié)果[67]Fig.4.(a) Solar cell structure using PDMS as anti-reflection coating[69]; (b) EQE comparison with and without PDMS[69]; (c) solar cell structure using LM foil as anti-reflection coating[67]; (d) (e) optimized result using LM foil as anti-reflection coating[67].

表3 使用減反層減少器件反射損耗Table 3.Using anti-reflection coating to reduce reflection loss of device.

圖5 (a) 使用LiF 作減反層的電池結(jié)構(gòu)[71]; (b) LiF 作減反層的電池優(yōu)化結(jié)果[71]; (c) 使用MgF2 作減反層的電池結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)果[72]Fig.5.(a) Solar cell structure with LiF as anti-reflection coating[71]; (b) optimized result with LiF as anti-reflection coating[71];(c) solar cell structure and optimization result with MgF2 as anti-reflection coating[72].

圖6 (a) 具有平面硅底電池的疊層電池、背面制絨但正面平坦的結(jié)構(gòu)以及增加了中間層的疊層電池結(jié)構(gòu)、具有雙面制絨的硅底電池和掩埋層的疊層電池以及增加了減反層的疊層電池、頂和底電池均是雙面制絨的疊層器件[75]; (b) 平面的硅、單面制絨的硅以及雙面制絨的硅作為底電池的鈣鈦礦/硅異質(zhì)結(jié)疊層器件結(jié)構(gòu)[76]; (c) 具有單面制絨、雙面制絨的器件的光損耗對(duì)比圖[23]Fig.6.(a) Perovskite/silicon tandem solar cell structure with flat silicon, single-side textured silicon with/without interface layer,tandem solar cell with double-side textured silicon and burial layer, solar cell with anti-reflection layer and double-sided textured structure[75]; (b) perovskite/silicon tandem solar cell structure with flat silicon、one-side textured silicon and double-side textured silicon as bottom cell[76]; (c) comparison of optical loss of devices with one-side texture, double-side texture devices[23].

沒(méi)有襯底陷光結(jié)構(gòu)的電池器件, 即平面硅表面上沉積鈣鈦礦頂電池的疊層器件的反射損失很嚴(yán)重.2016 年, 荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Santbergen等[75]模擬了6 種類型的襯底陷光結(jié)構(gòu)對(duì)疊層器件的影響.這6 種陷光結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示, 分別是具有平面硅底電池的疊層電池、背面制絨但正面平坦的結(jié)構(gòu)以及增加了中間層的疊層電池結(jié)構(gòu)、具有雙面制絨的硅底電池和掩埋層的疊層電池以及增加了減反層的疊層電池、頂和底電池均是雙面制絨的疊層器件.發(fā)現(xiàn)沒(méi)有陷光結(jié)構(gòu)的器件反射損失最高, 頂和底電池均是雙面制絨結(jié)構(gòu)的疊層器件光學(xué)性能最好, 并獲得了20.25 mA/cm2的短路電流密度.2018 年, 德國(guó)亥姆霍茲研究所Mazzarella 等[76]也分別對(duì)圖6(b)中平面的硅、單面制絨的硅以及雙面制絨的硅作為底電池的鈣鈦礦/硅異質(zhì)結(jié)疊層太陽(yáng)電池進(jìn)行模擬, 得出雙面制絨的硅作為底電池的疊層器件光學(xué)性能最優(yōu), 并獲得20.9 mA/cm2的短路電流密度.2019 年, 澳大利亞國(guó)立大學(xué)Jacobs等[23]分別在具有單面制絨和雙面制絨的硅底電池上沉積鈣鈦礦頂電池, 結(jié)果顯示具有雙面制絨結(jié)構(gòu)的器件反射損失最低, 如圖6(c)所示.

圖7 (a) 具有六角形正弦納米結(jié)構(gòu)的基底原子力顯微圖(AFM)[22]; (b)生長(zhǎng)在這種基底上的鈣鈦礦的原子力顯微圖(AFM)[22];(c)平面鈣鈦礦的原子力顯微圖(AFM)[22]; (d)未使用陷光結(jié)構(gòu)的電池EQE 圖[22]; (e)使用陷光結(jié)構(gòu)后的電池EQE 圖[22]; (f)和(g)蛾眼紋理鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)圖[77]; (h)使用蛾眼紋理鈣鈦礦的疊層器件EQE 圖[77]Fig.7.(a) Atom force microscopy (AFM) of substrate with hexagonal sinusoidal nanostructure[22]; (b) AFM image of perovskite growing on this substrate[22]; (c) AFM image of flat perovskite[22]; (d) EQE curve of solar cell without dimple structure[22]; (e) EQE curve of solar cell with dimple structure[22]; (f) and (g) structure image of perovskite with moth eye texture[77]; (h) EQE curve of device with moth eye textured perovskite[77].

除了單面制絨和雙面制絨的結(jié)構(gòu), 陷光結(jié)構(gòu)的工作還可以考慮在其他方向上做出改變.2018 年,德國(guó)亥姆霍茲研究所將鈣鈦礦層生長(zhǎng)在具有六角形正弦納米結(jié)構(gòu)的基底上, 這種陷光結(jié)構(gòu)的使用與生長(zhǎng)在平面基底上的鈣鈦礦相比, 光損耗大大降低的同時(shí)光吸收顯著增加[22], 這個(gè)工作中的陷光結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)及其模擬結(jié)果分析如圖7(a)—圖7(e)所示.2014 年, 香港理工大學(xué)使用帶有蛾眼紋理結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦作為疊層電池頂電池, 這種蛾眼紋理的陷光結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)20.7 mA/cm2的短路電流密度[77], 圖7(f)—圖7(h)顯示了這種蛾眼紋理的微觀結(jié)構(gòu)及其器件模擬結(jié)果分析.2020 年, 美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)Chen 等[78]基于帶有亞微米級(jí)金字塔的雙面制絨硅底電池(如圖8(a)和圖8(c)所示), 提出了一種新的鈣鈦礦/硅疊層太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu), 器件中所有金字塔尺寸都不超過(guò)1 μm, 圖8(b)和圖8(d)顯示這項(xiàng)工作獲得了高達(dá)26%的轉(zhuǎn)換效率以及高于19 mA/cm2的短路電流密度.光反射和寄生吸收的減小說(shuō)明陷光結(jié)構(gòu)對(duì)增加光路和光在器件內(nèi)部的反射起著顯著的作用.

3.2 寄生吸收

通常, 太陽(yáng)電池中非活性層的吸收稱為寄生吸收, 這些吸收對(duì)太陽(yáng)電池中的短路電流密度沒(méi)有貢獻(xiàn), 所以對(duì)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(duì)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(diǎn), 例如: 銀納米線網(wǎng)狀電極穩(wěn)定性不好并且制造技術(shù)復(fù)雜, 氧化石墨烯透明度高但是電阻很高, ITO 導(dǎo)電率低但可適當(dāng)增加厚度來(lái)增加導(dǎo)電性.透明導(dǎo)電薄膜(transparent conductive oxide, TCO)的另一個(gè)缺點(diǎn)是其濺射制備工藝會(huì)損壞其他層, 所以需要引入緩沖層(MoOx, ZnO和SnO2等)保護(hù)薄膜不被破壞.

圖8 (a)帶有亞微米級(jí)金字塔制絨的鈣鈦礦/硅疊層太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)[78]; (b)疊層器件I-V 測(cè)試結(jié)果[78]; (c)與其他陷光結(jié)構(gòu)的對(duì)比[78];(d)使用四種陷光結(jié)構(gòu)的疊層器件的反射損耗模擬結(jié)果對(duì)比圖[78]Fig.8.(a) Structure of perovskite/silicon tandem solar cell with submicron pyramids textured structure[78]; (b) I-V results of devices[78]; (c) comparison with the other light trapping structures[78]; (d) comparison of reflection loss of the device using four kinds of structure[78].

2015 年, 盧布爾雅那大學(xué)電氣工程學(xué)院聯(lián)合洛桑聯(lián)邦理工(EPFL)學(xué)院Filipic 等[12]對(duì)鈣鈦礦/硅疊層電池的透明導(dǎo)電層和Spiro-OMeTAD 進(jìn)行光學(xué)優(yōu)化, 大大改善了器件的光吸收.中國(guó)科學(xué)院Wang 等[79]2016 年提出開槽和棱鏡SiO2結(jié)構(gòu)并且使用光學(xué)性質(zhì)更好的ITO 減少了鈣鈦礦電池的寄生吸收, 將器件短路電流密度提升到23.92 mA/cm2,這種結(jié)構(gòu)及其吸收顯示在圖9(a)和圖9(b)中.2017 年, 德國(guó)亥姆霍茲研究所Jager 等[73]又對(duì)鈣鈦礦/硅疊層電池的電子傳輸層(electron transport layer, ETL)以及ITO 層進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì), 并且采用倒置結(jié)構(gòu), 將器件的短路電流密度提升了2.8 mA/cm2,其優(yōu)化結(jié)果如圖9(c)和圖9(d).在光學(xué)角度上對(duì)器件寄生吸收進(jìn)行優(yōu)化的模擬已經(jīng)很成熟, 但是減少寄生吸收的設(shè)計(jì)還需要結(jié)合電學(xué)性能考慮, 不然光學(xué)性能提升的同時(shí)會(huì)造成電學(xué)上的損失從而造成器件整體性能的下降.2019 年, Kohnen 等[71]的工作表明: 僅從光學(xué)角度對(duì)ITO 進(jìn)行優(yōu)化與光學(xué)和電學(xué)結(jié)合的優(yōu)化結(jié)果比較, 雖然短路電流密度略有提升, 但是轉(zhuǎn)換效率卻下降了, 如圖9(e)和圖9(f)所示.

分析器件的光損耗, 能直接看出所有材料的寄生吸收, 從而針對(duì)性發(fā)對(duì)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)的器件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(duì)疊層器件光學(xué)優(yōu)化有著十分重要的影響.

圖9 (a)開槽和(b)棱鏡SiO2 結(jié)構(gòu)減少鈣鈦礦太陽(yáng)電池寄生吸收[79]; 疊層電池優(yōu)化寄生吸收(c)前和(d)后的器件EQE 對(duì)比圖[73];(e) 光學(xué)和電學(xué)綜合考慮對(duì)ITO 寄生吸收優(yōu)化[71]; (f) 僅從光學(xué)角度優(yōu)化ITO 的寄生吸收[71]Fig.9.(a) Slotted and (b) prismatic structure of SiO2 to reduce parasitic absorption of perovskite solar cells[79]; EQE comparison of tandem solar cells (c) before and (d) after optimizing for parasitic absorption[73]; (e) optimization for parasitic absorption of ITO with both optical and electrical considerations[71]; (f) optimization for parasitic absorption of ITO only considerate optical aspect[71].

4 總結(jié)和展望

鈣鈦礦/硅疊層太陽(yáng)電池可以突破Shockley-Quiesser (S-Q)單結(jié)電池效率極限, 具有非常大的潛力.有關(guān)其材料設(shè)計(jì)優(yōu)化、光學(xué)損耗的分析等工作都在不斷完善, 光學(xué)模擬仿真也在這些工作中起著至關(guān)重要的作用.本文著重從光學(xué)優(yōu)化的方法和優(yōu)化內(nèi)容等方面對(duì)光學(xué)模擬優(yōu)化近期的研究進(jìn)展做出了概述.由于光學(xué)損耗主要是器件的反射損失和寄生吸收引起的, 本文重點(diǎn)講述了在減反射和襯底陷光結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化和發(fā)展, 并且對(duì)減少非吸收層寄生吸收的工作進(jìn)行了概述.通過(guò)對(duì)光學(xué)優(yōu)化工作的研究, 可以促進(jìn)更高效率器件的制備.

盡管疊層電池光學(xué)模擬優(yōu)化的工作已經(jīng)取得很大進(jìn)展, 但是還存在著一些問(wèn)題.未來(lái)的光學(xué)模擬優(yōu)化應(yīng)該從以下幾個(gè)方面考慮: 1)模擬工作應(yīng)該與實(shí)驗(yàn)有著密切聯(lián)系, 讓模擬結(jié)果不是只能給出簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方向, 要能分析出實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題并且對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容給出明確的指導(dǎo)方向; 2)無(wú)論是使用商用軟件模擬還是自建模型模擬, 模擬的精確度一定要高, 這樣才能更接近實(shí)際實(shí)驗(yàn)內(nèi)容.可以選擇優(yōu)化算法或結(jié)合機(jī)器測(cè)試使模擬的數(shù)據(jù)盡可能精確; 3)在疊層器件中, 反射損失和寄生吸收是主要的光學(xué)損失, 要盡可能地降低這兩種光學(xué)損失必須要設(shè)計(jì)合理的疊層器件結(jié)構(gòu), 如設(shè)計(jì)合理的絨度襯底以降低反射損失, 選擇寄生吸收較小的光學(xué)薄膜作為透明導(dǎo)電層, 盡可能地將電子傳輸層或空穴傳輸層的厚度降低以減小寄生吸收; 4)由于疊層電池的短路電流取決于最小的那個(gè)子電池, 所以頂、底電池的電流匹配也非常重要.所以不能單獨(dú)取子電池最優(yōu)模擬結(jié)果, 將頂?shù)纂姵啬M結(jié)果結(jié)合起來(lái), 選擇一個(gè)最優(yōu)模擬策略.