方正 張飛 秦校軍 楊柳 靳永斌 周養(yǎng)盈 王興濤 劉云 謝立強(qiáng)? 魏展畫??

1) (中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司,北京 102209)

2) (華僑大學(xué)發(fā)光材料與信息顯示研究院,廈門 361021)

3) (華僑大學(xué)制造工程研究院,廈門 361021)

鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池由于能突破單結(jié)太陽能電池的效率極限而吸引了廣泛的研究興趣.然而,在將商業(yè)化的大面積硅電池切割為實(shí)驗(yàn)室所需的平方厘米級(jí)的小面積電池時(shí),會(huì)造成顯著的效率下降,限制了疊層電池的性能.為了消除傳統(tǒng)的激光切割法造成的熱損傷和熱傳導(dǎo),減少切割后的異質(zhì)結(jié)硅電池的非輻射復(fù)合,本工作采用砂輪劃片這一冷加工方法,對(duì)異質(zhì)結(jié)硅電池進(jìn)行切割.與采用激光切割法得到的器件相比,冷加工法得到的異質(zhì)結(jié)硅電池的截面損傷小,非輻射復(fù)合得到顯著抑制,器件的開路電壓和填充因子均得到提高,平均光電轉(zhuǎn)換效率提高了1%.將得到的硅電池與正式半透明鈣鈦礦太陽能電池進(jìn)行機(jī)械堆疊,獲得了效率超過28%的四端鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池.

1 引言

硅太陽能電池經(jīng)過70 多年的發(fā)展,其實(shí)驗(yàn)室效率已經(jīng)達(dá)到26.7%,逐漸趨近肖克利-奎伊瑟(SQ)效率極限29.4%,未來的提升空間有限[1-3].鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)由于成本低、吸光系數(shù)高、載流子遷移率高、帶隙可調(diào)等優(yōu)勢,近10 多年來得到了廣泛的關(guān)注,其最高認(rèn)證效率已經(jīng)達(dá)到25.7%[4-8].將PSCs 與硅電池組合成雙結(jié)疊層電池,可以更有效地利用太陽光,減小熱弛豫損失,從而突破單結(jié)電池的SQ 效率極限,進(jìn)一步降低光伏的度電成本[9,10].通常鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池(TSCs)的結(jié)構(gòu)有兩種: 兩端(2T) TSCs 和四端(4T) TSCs[11,12].2T-TSCs 需要考慮光學(xué)耦合和電學(xué)耦合[13,14],而4T-TSCs 只需要考慮光學(xué)耦合[15,16].

理論模擬研究表明,4T-TSCs 的SQ 效率極限高達(dá)45%[17,18].為了在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)高效率的4TTSCs 的研究,既需要開發(fā)高效率的鈣鈦礦頂電池,也需要制備與頂電池面積匹配的小面積的高效率硅底電池.目前針對(duì)4T-TSCs 的研究主要集中在頂層半透明鈣鈦礦太陽能電池(ST-PSCs).Chen等[19]研究了寬帶隙PSCs 的離子遷移,并通過苯胺鹽表面鈍化減少了頂電池的開路電壓(VOC)損失,抑制了相分離.Wang 等[20]通過在空穴傳輸層一側(cè)誘導(dǎo)形成超薄的準(zhǔn)二維鈣鈦礦,有效地抑制了由于離子缺陷導(dǎo)致的非輻射復(fù)合損失,實(shí)現(xiàn)了VOC損失僅0.43 V 和光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)為17.84%的ST-PSCs.Chen 等[21]通過添加路易斯堿降低了缺陷態(tài)濃度,同時(shí)將載流子擴(kuò)散長度增至2 μm,從而使得1.63 eV 帶隙的ST-PSCs 的PCE 超過19%.Ying 等[22]通過將2,9-二甲基—4,7-二苯基—1,10-菲咯啉(BCP)與銀(Ag)結(jié)合,降低了電子的提取壁壘,有效保護(hù)了富勒烯(C60)和鈣鈦礦層免受濺射破壞,將反式ST-PSCs 的FF 提高到80.1%,器件的PCE 達(dá)到18.19%.Wang 等[23]通過真空熱蒸發(fā)沉積薄膜的方法,以三氧化鉬(MoO3)/金納米網(wǎng)/MoO3“三明治結(jié)構(gòu)”作為透明電極,制備的ST-PSCs 具有18.3%的PCE,得到了PCE 超過27.0%的4T-TSCs.經(jīng)過前人的努力,通過抑制寬帶隙鈣鈦礦的相分離、減少VOC損失、提升窗口層的透光性與能級(jí)匹配等策略,使4T-TSCs 的器件效率得到大幅提升[24-27].相較而言,硅底電池受到的關(guān)注較少.

為了進(jìn)一步提升4-T-TSCs 的性能,本工作從減少異質(zhì)結(jié)硅電池(HIT 電池)的切割損失出發(fā),研究了激光切割與砂輪劃片切割對(duì)硅電池性能的影響.發(fā)現(xiàn)納秒激光切割法的熱損傷和熱傳導(dǎo)較為嚴(yán)重,造成嚴(yán)重的邊緣非輻射復(fù)合,切割后電池的VOC和填充因子(FF)顯著下降,PCE 損失高達(dá)3%以上.而采用砂輪劃片冷加工的方法無熱損傷,避免了邊緣燒蝕,得到的器件截面較為平整,非輻射復(fù)合得到顯著抑制.基于冷加工切割法得到的器件的VOC和FF 得到顯著提高.將得到的HIT 電池與正式ST-PSCs 進(jìn)行機(jī)械堆疊,獲得了效率超過28%的4-T-TSCs.

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

使用的實(shí)驗(yàn)材料信息如下: 單晶硅片購自西安隆基硅材料有限公司,氧化錫膠體溶液(SnO2,15%,Alfa Aesar),碘化鉛(PbI2,99.99%,TCI),溴化鉛(PbBr2,99.99%,西安寶萊特光電科技有限公司),碘化銫(CsI,99.999%,Sigma-Aldrich)甲脒氫碘酸鹽(FAI,99.99%,GreatcellSolar),甲胺氫碘酸鹽(MAI,98%,TCI),甲胺氫氯酸鹽(MACl,98%,TCI),雙三氟甲基磺酰亞胺鋰(Li-TFSI,99.95%,Sigma-Aldrich),4-叔丁基吡啶(4-TBP),Spiro-OMeTAD(99.5%,飛鳴科技有限公司),乙 腈(99.8%,Sigma-Aldrich),二甲基亞砜(DMSO,99.9%,Sigma-Aldrich)N,N-二甲基甲酰胺(DMF,99.8%,Sigma-Aldrich),異丙醇(IPA,99.8%,Sigma-Aldrich),氯苯(CB,99.8%,Sigma-Aldrich),三氧化鉬(MoO3,99.5%,Lumtec),氧化銦錫(ITO)靶材(In2O3:SnO2=90:10,北京中諾新材科技有限公司).

2.2 半透明鈣鈦礦太陽能電池的制備

將SnO2膠體溶液用去離子水(體積比為1∶2)稀釋得到SnO2納米晶溶液.鈣鈦礦采用兩步法制備,將437 mg 的PbI2、348.7 mg 的PbBr2和24.7 mg 的CsI 溶 于1 mL DMF 和DMSO 混合溶劑(體積比為 9∶1)獲得PbI2前驅(qū)體溶液.將67.4 mg FAI、25.8 mg MAI 和28.5 mg MACl 溶于1 mL IPA 中制備有機(jī)鹽溶液.將72.3 mg Spiro-OMeTAD 溶于1 mL CB 中,加入29.0 μL 4-TBP和17.5 μL Li-TFSI(520 mg/mL 的乙腈溶于)得到空穴傳輸層溶液.

首先分別用蒸餾水、丙酮、異丙醇和乙醇在超聲作用下清洗氧化銦錫(ITO)襯底20 min,然后對(duì)基底進(jìn)行等離子體處理5 min.將稀釋的SnO2納米晶溶液在ITO 襯底上以4000 rad/min的速度旋涂20 s,然后在空氣中150 ℃的熱臺(tái)上退火15 min 得到電子傳輸層.在N2手套箱內(nèi),采用兩步順序沉積法制備鈣鈦礦薄膜,在第1 步中,PbI2前驅(qū)體溶液在SnO2襯底上以2000 rad/min旋涂30 s,然后在N2氣氛中70 ℃退火1 min;第2 步,將有機(jī)鹽溶液滴加到PbI2基底上先浸泡20 s,然后以1700 rad/min的轉(zhuǎn)速旋涂30 s,在空氣中(相對(duì)濕度為10%—20%)150 ℃退火15 min,得到均勻光滑的鈣鈦礦薄膜.在此基礎(chǔ)上將Spiro-OMeTAD 溶液在鈣鈦礦膜上以3000 rad/min 的轉(zhuǎn)速旋涂30 s 得到空穴傳輸層.對(duì)于窗口層的制備,在高真空(5×10—4Pa)下熱蒸鍍20 nm 厚的MoO3緩沖層,沉積速率為0.5 ?/s (1 ?=0.1 nm);然后采用射頻磁控濺射技術(shù),在70 ℃下沉積200 nm 的ITO 形成透明電極,其中射頻功率為50 W,沉積速率為0.5 ?/s,腔壓維持在0.18—0.22 Pa.最后,通過熱蒸鍍?cè)谄骷吘壋练e厚度為70 nm 的銀電極.

2.3 小面積HIT 電池的制備

采用電阻率為1—5 Ω、厚度為150 μm 的n 型單晶硅片作為襯底.經(jīng)過堿性拋光去損傷層和堿性(KOH)制絨得到均勻的小金字塔織構(gòu),按照標(biāo)準(zhǔn)的RCA 標(biāo)準(zhǔn)清洗法進(jìn)行清洗.制絨工藝完成后,在高頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(VHF-PECVD)系統(tǒng)中,將非晶硅本征層a-Si:H(i)和硼摻雜氫化非晶硅層a-Si:H(p)沉積在硅片背面,轉(zhuǎn)移翻面后將非晶硅本征層a-Si:H(i)和磷摻雜氫化非晶硅層a-Si:H(n)沉積在硅片正面.隨后通過磁控濺射在正反面分別制備90 nm 的ITO 透明導(dǎo)電電極,最后采用低溫絲網(wǎng)印刷法制備銀柵電極,上述整片HIT 電池的制備由福建鈞石能源有限公司完成.激光切割使用鐳杰明激光科技有限公司的納秒紅外(1064 nm)光纖激光器,頻率為850 kHz,脈寬為2 ns,速度400 mm/s,功率為8—18 W.砂輪劃片機(jī)的型號(hào)為和研科技有限公司DS616 精密砂輪劃片機(jī),采用的轉(zhuǎn)速為30000 rad/min,切割步進(jìn)速度為2 mm/s,所采用的砂輪為廈門石之銳材料科技有限公司的電鍍鎳砂輪(nickel plating)、銅錫砂輪(Cu-Sn)和樹脂砂輪(resin).

2.4 器件表征

利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(JEOL JSM-7610F)拍攝切割后HIT 電池截面的形貌.通過三維光學(xué)輪廓儀(ZYGO NewView 9000)觀察HIT電池截面的三維輪廓和表面粗糙度.使用CHI660E 電化學(xué)工作站采集器件的電化學(xué)阻抗譜(EIS).使用Keithley 2400 在黑暗(環(huán)境)中采集暗態(tài)電流密度-電壓(J-V)曲線.瞬態(tài)光電壓和瞬態(tài)光電流由Zahner 電化學(xué)工作站配合瞬態(tài)電化學(xué)測試裝置得到.使用EnliTech 太陽光模擬器在AM 1.5G 條件下,配合數(shù)字源表(Keithley 2400)測量J-V特性,掃描速率為250 mV/s(電壓階躍為10 mV,延時(shí)時(shí)間為40 ms).單個(gè)ST-PSCs 子電池的活性面積為0.20 cm2,采用有效面積為0.12 cm2的黑色掩模版來標(biāo)定有效面積.使用外量子效率(EQE)測試系統(tǒng)(EnliTech,QER666)測試器件的EQE.

3 結(jié)果與討論

HIT 電池的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,商業(yè)化的HIT電池的尺寸通常為G1 (158.75 mm × 158.75 mm).目前實(shí)驗(yàn)室通常用規(guī)格為20 mm × 20 mm 的玻璃襯底制備PSCs,因此在制備4T-TSCs 時(shí),需要將HIT 電池切割成與PSCs 面積相匹配的小尺寸硅電池(如(19 mm × 19 mm)),如圖1(b)所示.常用的方法是激光切割法,即利用高能激光束照射在器件表面,使被照射區(qū)域局部氣化,從而達(dá)到劃片的目的[28,29].研究了激光功率對(duì)切割后HIT 電池性能的影響,切割后器件性能的參數(shù)統(tǒng)計(jì)圖如圖1(c)—(f)所示.表1 列出了HIT 電池切割前和不同激光功率切割后的性能,可以看到切割前器件效率為23.83%,VOC為0.731 V,短路電流密度(JSC)為39.46 mA/cm2,FF 為82.61%;而經(jīng)過優(yōu)化后在激光功率12 W 時(shí)獲得了切割后的最高效率,為20.88%,VOC為0.701 V,JSC為39.27 mA/cm2,FF 為75.83%.與切割前相比,VOC和FF 均明顯下降,PCE 損失超過3%.由于激光劃片時(shí)要達(dá)到約2355 ℃時(shí)才能使硅材料氣化,激光中心區(qū)域的熱量沿著硅襯底和金屬電極傳導(dǎo),從而使燒蝕區(qū)域擴(kuò)大.而HIT 電池表面的非晶硅層在超過250 ℃會(huì)被破壞[30],所以消除熱效應(yīng)的影響從而減少VOC和FF 的下降是急需解決的問題.

圖1 (a) HIT 電池的結(jié)構(gòu)示意圖;(b) HIT 電池切割前后示意圖;(c)—(f) 激光切割優(yōu)化后的器件性能 (c)VOC,(d) JSC,(e) FF,(f) PCEFig.1.(a) The structure of HIT silicon solar cell;(b) optical image of HIT silicon solar cell before and after cutting;(c)—(f) device performance after laser cutting: (c)VOC,(d) JSC,(e) FF,(f) PCE.

表1 切割前與不同激光功率切割后對(duì)應(yīng)HIT 電池的最優(yōu)性能Table 1.Optimal performance of HIT silicon solar cell before and after cutting with different laser power.

由于激光切割的熱損傷和熱傳導(dǎo)比較嚴(yán)重,所以嘗試使用砂輪劃片冷加工的方法對(duì)HIT 電池進(jìn)行切割.砂輪劃片機(jī)砂輪切割工藝是以強(qiáng)力磨削為手段,通過空氣靜壓支承的電主軸帶動(dòng)超薄金剛石刀片高速旋轉(zhuǎn),用刀片上的微細(xì)磨粒與被加工物進(jìn)行接觸,使劃切處的材料產(chǎn)生碎裂,配合水的沖洗作用將切屑帶出[31].分別嘗試?yán)秒婂冩嚿拜?、Cu-Sn 砂輪和樹脂砂輪3 種不同黏合劑的超薄砂輪對(duì)HIT 電池進(jìn)行切割,切割后的性能參數(shù)統(tǒng)計(jì)如圖2(a)—(d)所示,最優(yōu)器件的具體性能參數(shù)如表2所列.電鍍鎳砂輪硬度過大,排屑能力差,磨粒容易產(chǎn)生脫落,不適合硅脆性材料的切割,切割后器件的VOC和FF 損失較大,導(dǎo)致最終PCE 低至19%左右.Cu-Sn 砂輪切割后器件的VOC達(dá)到0.715 V左右,同時(shí)FF 也達(dá)到75%以上,使最終的PCE達(dá)到21%以上.樹脂砂輪質(zhì)地太軟,出刃快,孔隙率高,同時(shí)銀柵線會(huì)影響其鋒利性,使切割后器件的VOC和FF 相比Cu-Sn 砂輪的器件均有所下降,導(dǎo)致最終器件的PCE 僅有20.8%左右.綜上所述,Cu-Sn 砂輪由于強(qiáng)度適中,較適合脆性材料的切割,Cu-Sn 砂輪切割后的HIT 電池可以得到較優(yōu)的性能.

表2 不同砂輪黏合劑所對(duì)應(yīng)切割后HIT 電池最優(yōu)器件的性能Table 2.Optimal performance of HIT silicon solar cell after cutting with different grinding wheel adhesives.

圖2 砂輪黏合劑的種類對(duì)切割后HIT 電池性能的影響 (a)VOC;(b) JSC;(c) FF;(d) PCEFig.2.The influence of different grinding wheel adhesives on the performance of HIT silicon cells after cutting: (a) VOC;(b) JSC;(c) FF;(d) PCE.

進(jìn)一步優(yōu)化Cu-Sn 砂輪中金剛石粒度的尺寸來減少切割損傷.砂輪名稱的尾號(hào)越大,代表金剛石粒度越小.如圖3(a)—(d)所示,Cu-Sn #400 的金剛石粒度最大,其切割后的崩邊比較厲害,且截面較為粗糙,導(dǎo)致VOC和 FF 均大幅下降.隨著砂輪金剛石粒度的減小,器件的VOC呈現(xiàn)大幅提升后又開始下降,JSC基本保持不變,FF 也呈現(xiàn)先大幅提升后又微弱下降的趨勢,綜合了VOC和FF 的變化影響,最終器件的PCE 也呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,Cu-Sn #2000 獲得了最高的PCE.這主要是由于金剛石磨粒越小,硅片正背面的崩邊越小,切割面越平整,損傷區(qū)域越小.當(dāng)磨粒達(dá)到#3000時(shí),磨粒太小導(dǎo)致強(qiáng)度過低.表3 展示了Cu-Sn 砂輪不同金剛石粒度對(duì)應(yīng)切割后HIT 電池的最優(yōu)性能,Cu-Sn #2000 對(duì)應(yīng)的器件獲得最高的PCE 為21.81%,VOC達(dá)到0.704 V,JSC為39.52 mA/cm2,FF 達(dá)到了78.37%.與激光切割后的器件性能相比較,砂輪劃片機(jī)優(yōu)化后器件的VOC有小幅度的提高,FF 大幅提升,導(dǎo)致最終的平均PCE 提高了1%左右,有效降低了切割效率損失.

表3 Cu-Sn 刀具中金剛石磨粒的粒度對(duì)應(yīng)切割后HIT 電池最優(yōu)器件的性能Table 3.The influence of the size of diamond abrasive in Cu-Sn cutter on the performance of HIT silicon solar cells after cutting.

圖3 Cu-Sn 刀具中金剛石磨粒的粒度對(duì)切割后HIT 電池性能的影響 (a) VOC;(b) JSC;(c) FF;(d) PCEFig.3.Influence of diamond particle size in Cu-Sn cutter on the performance of HIT silicon solar cell after cutting: (a) VOC;(b) JSC;(c) FF;(d) PCE.

為了探究砂輪劃片機(jī)切割和激光切割引起性能差異的原因,對(duì)切割后的器件截面形貌進(jìn)行分析,結(jié)果如圖4 所示.圖4(a),(b)分別為砂輪劃片機(jī)和激光切割后的器件截面形貌,可以看出砂輪劃片機(jī)切割后HIT 電池截面只有進(jìn)刀側(cè)和出刀側(cè)有略微的崩邊(箭頭方向?yàn)樯拜嗊M(jìn)刀方向),中間區(qū)域較為平整,而激光切割后的截面上半部分激光燒蝕的區(qū)域極其粗糙,下半部分機(jī)械斷裂區(qū)域較為平整(箭頭方向?yàn)榧す膺M(jìn)光方向).圖4(c),(d)分別為砂輪劃片機(jī)和激光切割后的截面形貌的局部放大圖,可以觀察到砂輪劃片機(jī)切割后的截面有橫向金剛石顆粒造成的密集刮痕,而激光切割后能看到雜亂無章的燒蝕區(qū)域和未及時(shí)排除的硅屑凝結(jié)[32].圖4(e),(f)分別為砂輪劃片機(jī)切割和激光切割后器件截面的三維輪廓圖(70 μm × 50 μm),可以看出砂輪劃片機(jī)切割的表面粗糙度(Sa)為21 nm;而激光切割的Sa為624 nm.說明砂輪劃片機(jī)對(duì)HIT 電池的影響區(qū)域更小,器件的損傷更小.同時(shí)也采用萬用表測試了切割后HIT 電池兩端的電阻,結(jié)果顯示砂輪劃片機(jī)切割后的器件電阻為3 MΩ左右,而激光切割后的器件電阻只有1.2 MΩ 左右.器件兩端電阻的減小可能是由于激光切割過程ITO、非晶硅和銀顆粒會(huì)與側(cè)面的硅襯底進(jìn)行粘結(jié),導(dǎo)致絕緣性下降.而砂輪劃片機(jī)切割過程中由于冷加工的方式只會(huì)產(chǎn)生粉末,且在水的沖洗下直接被帶走,減少了雜質(zhì)的引入.

圖4 砂輪劃片機(jī)切割與激光切割后HIT 電池截面形貌和粗糙度對(duì)比 (a),(b)截面形貌;(c),(d)截面局部放大圖;(e),(f)三維輪廓圖Fig.4.Comparison of cross-sectional SEM images and roughness of HIT silicon solar cell after grinding wheel and laser cutting: (a),(b) Cross-sectional morphology;(c),(d) partial magnification of cross-section morphology;(e),(f) 3 D outline of the cross-section.

為了研究切割后器件內(nèi)部載流子的復(fù)合情況,首先通過暗態(tài)下的電化學(xué)阻抗譜(EIS)測量不同器件復(fù)合電阻(施加偏壓為0.05 V),可以明顯看出砂輪劃片機(jī)切割的器件具有更大的復(fù)合電阻(圖5(a)),表明這種冷加工的方式確實(shí)可以減少器件邊緣的載流子復(fù)合.同時(shí)也測試了不同器件的暗態(tài)J-V曲線,如圖5(b)所示,暗態(tài)下砂輪劃片機(jī)切割的器件電流密度更小,這說明此工藝獲得的太陽能電池復(fù)合路徑更少,表現(xiàn)出更理想的二極管行為.在光照條件下,分析了兩種切割方式獲得的器件的瞬態(tài)光電壓(TPV)和瞬態(tài)光電流(TPC)曲線.如圖5(c),(d)所示,砂輪劃片機(jī)切割的器件具有更大的光電壓壽命和更小的光電流壽命,表明器件的非輻射復(fù)合得到抑制,載流子提取更高效.同時(shí)也研究了短路JSC和VOC對(duì)入射光強(qiáng)度的依賴關(guān)系,如圖5(e),(f)所示.其中JSC隨光強(qiáng)的變化可以表示為

圖5 切割后HIT 電池的載流子復(fù)合動(dòng)力學(xué) (a) 在0.05 V 偏壓和黑暗條件下測得器件EIS;(b) 器件的暗態(tài)J-V 曲線;(c) 瞬態(tài)光電壓;(d) 瞬態(tài)光電流;(e) 短路電流密度與光強(qiáng)的關(guān)系;(f)開路電壓與光強(qiáng)的關(guān)系Fig.5.Charge recombination kinetics of silicon solar cells after cutting: (a) Electrochemical impedance spectra of devices measured in the dark at 0.05 V bias;(b) dark J-V curves of the devices;(c) TPV;(d) TPC;(e) relationship between JSC and light intensity;(f) relationship between VOC and light intensity.

(1)式中α為指數(shù)因子,I為光照強(qiáng)度.根據(jù)砂輪劃片機(jī)切割后器件的JSC與光強(qiáng)的關(guān)系擬合得到α為0.961,而激光切割的擬合得到α為0.902,砂輪劃片機(jī)切割得到的α更接近1,表明其邊緣復(fù)合得到一定的抑制[33].為了進(jìn)一步研究器件內(nèi)部載流子復(fù)合的情況,測試了不同光強(qiáng)下的VOC,可表示為

(2)式中k為玻爾茲曼常數(shù),T為開爾文溫度,q為基元電荷,n為理想因子.擬合后可得砂輪劃片機(jī)切割后的理想因子為1.544,激光切割后的理想因子為1.860,相比之下砂輪劃片機(jī)切割后的n值更接近于理想值1,表明砂輪劃片機(jī)切割這種冷加工的方法會(huì)更有利于減少邊緣缺陷的產(chǎn)生[34].綜上所述,利用砂輪劃片機(jī)切割HIT 電池可以有效降低器件邊緣的非輻射復(fù)合.

將HIT 電池作為底電池與頂部的ST-PSCs進(jìn)行機(jī)械堆疊,制備成4T-TSCs,其結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示,其中PDMS 為聚二甲基硅氧烷通過復(fù)刻工藝制備的減反射薄膜,Passivation 為鈍化層.通過對(duì)器件橫截面進(jìn)行SEM 表征(見圖6(b))來證明其結(jié)構(gòu).圖6(c)所示為切割成小面積后的HIT 電池的J-V曲線和詳細(xì)參數(shù),其最優(yōu)效率為21.81%.通過外量子效率(EQE)來表征相應(yīng)4T-TSCs 的光譜響應(yīng),如圖6(d)所示,頂層ST-PSCs 在300—400 nm 波長的光譜響應(yīng)較低,而在500—700 nm波長范圍的光譜響應(yīng)均達(dá)到80%以上,積分電流密度為19.49 mA/cm2,J-V曲線測得JSC誤差僅為3.6%;并且由于紫外和可見光波段的光(300—700 nm)基本被頂層ST-PSCs 吸收,所以底層HIT 硅電池僅在750—1000 nm 波長范圍內(nèi)有較強(qiáng)的光譜效應(yīng),HIT 硅電池的積分電流密度為16.35 mA/cm2.圖6(e)為4T-TSCs 的J-V曲線,詳細(xì)參數(shù)如表4 所示,HIT 電池經(jīng)過頂層STPSCs 濾光后,其VOC下降到0.681 V,JSC降低到16.87 mA/cm2,FF 為79.04%,PCE 下降到9.08%;ST-PSCs 頂電池的PCE 高 達(dá)19.25%,VOC為1.207 V,JSC為20.22 mA/cm2,FF 也達(dá)到78.81%.因此獲得了PCE 為28.33%的四端鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池.

圖6 (a) 4T-TSCs 結(jié)構(gòu)示意圖;(b) ST-PSCs 的截面SEM 形 貌;(c) 切割后HIT 硅電池的J-V 曲線;(d) 4T-TSCs 的EQE 曲線;(e) 4T-TSCs 的J-V 曲線Fig.6.(a) Schematic diagram of the structure of 4T-TSCs;(b) cross-sectional SEM image of ST-PSC;(c) J-V curve of HIT silicon solar cell after cutting;(d) EQE curves of 4T-TSCs;(e) J-V curves of 4T-TSCs.

表4 4 T-TSCs 的詳細(xì)J-V 參數(shù)Table 4.Detailed J-V parameters of 4 T-TSCs.

4 結(jié)論

本文采用砂輪劃片機(jī)對(duì)HIT 電池進(jìn)行切割可以減少器件的邊緣復(fù)合,提升了四端鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池的效率.與激光切割相比,砂輪劃片機(jī)切割這種冷加工的方法可以有效避免HIT 電池邊緣的熱損傷,得到的器件截面較為平整,損傷區(qū)域較小.因此,砂輪劃片機(jī)切割后的HIT 電池的非輻射復(fù)合得到抑制,器件的VOC和FF 得到提高,平均PCE 提高了1%左右.將切割后的HIT 電池與正式ST-PSCs 進(jìn)行機(jī)械堆疊,獲得了效率超過28%的4T-TSCs.