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世界纪录效率的全钙钛矿叠层太阳电池:3D/3D异质结助力效率提升

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科学通报 2023年第22期68卷 2860-2861页

作者：李亮苏州大学物理科学与技术学院苏州215006

钙钛矿材料具有光吸收系数高、载流子迁移率大、带隙可调节、合成方法简单、成本低廉等优点,被认为是最具前景的下一代光伏材料之一.将具有不同带隙的钙钛矿材料使用隧穿复合结进行连接,可以构建全钙钛矿叠层器件,从而实现对太阳光谱的... 详细信息

钙钛矿材料具有光吸收系数高、载流子迁移率大、带隙可调节、合成方法简单、成本低廉等优点,被认为是最具前景的下一代光伏材料之一.将具有不同带隙的钙钛矿材料使用隧穿复合结进行连接,可以构建全钙钛矿叠层器件,从而实现对太阳光谱的分段利用,以降低载流子热化损失,提高理论效率上限.

关键词：光伏材料叠层太阳电池钙钛矿材料光吸收系数载流子迁移率太阳光谱叠层器件世界纪录

钙钛矿叠层太阳电池中电荷传输材料的研究进展

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Science China Materials 2023年第6期66卷 2107-2127页

作者：方志敏聂婷严楠张静任小东郭旭段玉伟冯江山刘生忠 Key Laboratory of Applied Surface and Colloid Chemistry Ministry of EducationShaanxi Key Laboratory for Advanced Energy DevicesShaanxi Engineering Lab for Advanced Energy TechnologySchool of Materials Science and EngineeringShaanxi Normal UniversityXi’an 710119China Dalian National Laboratory for Clean Energy iChEMDalian Institute of Chemical PhysicsChinese Academy of SciencesDalian 116023China

开发钙钛矿叠层太阳电池是一种可以突破单结太阳电池Shockley-Queisser极限的光伏技术.令人鼓舞的是,所有钙钛矿叠层器件,包括钙钛矿/硅、钙钛矿/钙钛矿、钙钛矿/铜铟镓硒和钙钛矿/有机叠层电池,都表现出比相应单结太阳电池更高的效率,... 详细信息

开发钙钛矿叠层太阳电池是一种可以突破单结太阳电池Shockley-Queisser极限的光伏技术.令人鼓舞的是,所有钙钛矿叠层器件,包括钙钛矿/硅、钙钛矿/钙钛矿、钙钛矿/铜铟镓硒和钙钛矿/有机叠层电池,都表现出比相应单结太阳电池更高的效率,显示出巨大的进一步突破的潜力.在叠层器件中,电荷传输材料是钙钛矿子电池的重要组成部分,它直接决定了器件的电荷传输和能量损失.一般来说,高导电性和透光性、良好的能级和化学稳定性是电荷传输材料叠层应用的关键.迄今为止,导电金属氧化物、有机分子、聚合物、富勒烯、自组装材料等各种电荷传输材料已被广泛应用于高效叠层电池.在本文中,我们首先总结了不同类型钙钛矿叠层电池的电荷传输材料的最新进展,详细讨论了材料的电学和光学性质及其对器件性能的影响.在此基础上,我们提出了叠层电池中电荷传输材料进一步发展所面临的挑战和展望.本综述将为不同钙钛矿叠层太阳电池的器件设计提供有效指导.

关键词：叠层电池叠层太阳电池电荷传输材料光伏技术金属氧化物钙钛矿铜铟镓硒高导电性

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钙钛矿/晶硅叠层太阳电池的结构设计

钙钛矿/晶硅叠层太阳电池的结构设计

作者：季维宏华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

传统的单结太阳电池由于只采用一种光吸收材料,不能充分利用太阳光谱的能量,其理论极限效率仅为33%。单结太阳电池的增效空间主要由光吸收材料的带隙决定,潜力非常有限。钙钛矿/晶硅叠层太阳电池技术可以充分的利用太阳光谱,极限效率大... 详细信息

传统的单结太阳电池由于只采用一种光吸收材料,不能充分利用太阳光谱的能量,其理论极限效率仅为33%。单结太阳电池的增效空间主要由光吸收材料的带隙决定,潜力非常有限。钙钛矿/晶硅叠层太阳电池技术可以充分的利用太阳光谱,极限效率大于40%,实验室转换效率已经突破32.5%,且兼具低成本和可定制性等优点。钙钛矿/晶硅叠层太阳电池在光伏行业备受关注,是未来太阳电池的主流技术趋势之一。本文基于太阳电池模拟软件wxAMPS对甲基铵碘铅钙钛矿/异质结晶硅(MAPbI3/SHJ)叠层太阳电池进行结构设计,主要考察了光吸收层的厚度、掺杂浓度和缺陷浓度影响叠层太阳电池性能的规律,获得了优化的叠层太阳电池结构。具体内容包括:(1)建立MAPbI3钙钛矿和SHJ单结太阳电池的仿真模型,从各功能层的厚度、掺杂浓度和缺陷浓度3个方面对太阳电池的结构进行优化,获得单结太阳电池的最优结构。(2)以优化设计后的两个单结太阳电池建立MAPbI3/SHJ叠层太阳电池的仿真模型,通过调整上下子电池光吸收层的厚度实现叠层太阳电池的电流匹配;获得性能优化的叠层太阳电池器件。本论文的主要研究结果为:(1)钙钛矿太阳电池FTO/TiO2/MAPbI3/Spiro-MeOTAD/Au的最优结构为:TiO2、MAPbI3 和 Spiro-MeOTAD 的厚度分别为 0.1μm、0.9 μm 和 0.05 μm,掺杂浓度分别为1 × 1020 cm-3、1 × 1014 cm-3和1 × 1019 cm-3,缺陷浓度分别为1 × 1015 cm-3、1 × 1014cm-3和1 × 1018 cm-3,可以获得27.26%的光电转换效率,对应的短路电流为22.52 mA/cm2、开路电压为1.37 V、填充因子为88.16%。(2)异质结晶硅太阳电池 Ag/a-Si:H(n+)/a-Si:H(i)/c-Si(p)/a-Si:H(i)/a-Si:H(p+)/Ag的最优结构为:a-Si:H(n+)、c-Si(p)和a-Si:H(p+)的厚度分别为0.01μm、200 μm 和 0.01 μm,掺杂浓度分别为 1 × 1018 cm-3、1× 1015 cm-3 和 1 × 1019 cm-3,缺陷浓度分别为1 × 1016 cm-3、1 × 1014 cm-3和1 × 1016 cm-3,可以获得24.24%的光电转换效率,对应的短路电流为41.77 mA/cm2、开路电压为0.69 V和填充因子为 83.88%。(3)当MAPbI3/SHJ叠层太阳电池上下子电池的MAPbI3和c-Si(p)光吸收层厚度分别0.18 μm和167 μm时可以实现子电池的电流匹配。此时,叠层电池的短路电流为16.45 mA/cm2,开路电压2.09V,填充因子93.39%,MAPbI3/SHJ叠层太阳电池的光电转换效率高达32.11%。本论文的研究为理解钙钛矿/晶硅叠层太阳电池的设计和结构优化提供了理论依据和有益的参考。

关键词：叠层太阳电池钙钛矿晶体硅 wxAMPS 结构设计

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钙钛矿叠层太阳电池

Science Bulletin 2021年第6期66卷 621-636,M0004页

作者：方志敏曾强左传天张立秀肖涵睿程明郝锋保秦烨张立学袁永波吴武强赵德威程远航谭海仁肖作杨上峰刘芳洋靳志文闫金定丁黎明 Center for Excellence in Nanoscience(CAS) Key Laboratory of Nanosystem and Hierarchical Fabrication(CAS)National Center for Nanoscience and TechnologyBeijing 100190China Hefei National Laboratory for Physical Sciences at Microscale University of Science and Technology of ChinaHefei 230026China School of Metallurgy and Environment Central South UniversityChangsha 410083China Institute for Energy Research Jiangsu UniversityZhenjiang 212013China School of Materials and Energy University of Electronic Science and Technology of ChinaChengdu 611731China School of Physics and Electronic Science East China Normal UniversityShanghai 200241China School of Chemistry and Chemical Engineering Qingdao UniversityQingdao 266071China School of Physics and Electronics Central South UniversityChangsha 410083China Key Laboratory of Bioinorganic and Synthetic Chemistry(Ministry of Education) School of ChemistrySun Yat-sen UniversityGuangzhou 510275China Institute of Solar Energy Materials and Devices College of Materials Science and EngineeringSichuan UniversityChengdu 610065China Solar Energy Research Institute of Singapore National University of SingaporeSingapore 117574Singapore College of Engineering and Applied Sciences Nanjing UniversityNanjing 210093China School of Physical Science and Technology Lanzhou UniversityLanzhou 730000China High-Technology Research and Development Center(MoST) Beijing 100044China

自2009年报道以来,钙钛矿太阳电池的能量转换效率从3.8%增长到25.5%,是发展最为迅猛的一类太阳电池.为了进一步提高能量转换效率,突破肖克利·奎伊瑟效率极限(S-Q极限),可以采用带隙互补的吸光材料制备多结太阳电池,从而提高太阳光利用... 详细信息

自2009年报道以来,钙钛矿太阳电池的能量转换效率从3.8%增长到25.5%,是发展最为迅猛的一类太阳电池.为了进一步提高能量转换效率,突破肖克利·奎伊瑟效率极限(S-Q极限),可以采用带隙互补的吸光材料制备多结太阳电池,从而提高太阳光利用率.由于钙钛矿吸光材料具有可溶液加工、带隙可调的特性,它是制备叠层太阳电池的理想材料.本文介绍了近年来基于钙钛矿材料的高效叠层太阳电池:钙钛矿/硅,钙钛矿/铜铟镓硒,钙钛矿/钙钛矿和钙钛矿/有机叠层太阳电池.作者首先介绍了叠层电池的结构和工作原理,之后分别总结了以上四种叠层电池的重要进展,最后围绕器件结构、效率、大面积制备、稳定性、成本以及铅毒性这六个方面,讨论了未来钙钛矿叠层太阳电池面临的挑战.目前钙钛矿/硅、钙钛矿/铜铟镓硒和钙钛矿/钙钛矿叠层电池的能量转换效率分别达到了29.1%、25.9%和25.6%,均超过了相应单结电池的最高效率,有巨大发展空间.钙钛矿叠层太阳电池将会吸引越来越多的关注,成为太阳能研究领域的重要方向.

关键词：能量转换效率叠层太阳电池叠层电池多结太阳电池钙钛矿太阳电池铜铟镓硒可调的可溶液加工

隧穿结对柔性衬底非晶硅/微晶硅叠层太阳电池特性的影响

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人工晶体学报 2010年第5期39卷 1136-1140页

作者：周丽华刘成叶晓军钱子勍陈鸣波上海空间电源研究所上海200233

采用等离子体化学气相沉积(PECVD)方法在不锈钢柔性衬底上制备了不同厚度的硅基p+/n+隧穿结,应用于非晶硅/微晶硅叠层太阳电池,分析了其对太阳电池电学和光学特性的影响。发现p+层厚度增加后,电池的开路电压提高,短路电流密度减小;随着n... 详细信息

采用等离子体化学气相沉积(PECVD)方法在不锈钢柔性衬底上制备了不同厚度的硅基p+/n+隧穿结,应用于非晶硅/微晶硅叠层太阳电池,分析了其对太阳电池电学和光学特性的影响。发现p+层厚度增加后,电池的开路电压提高,短路电流密度减小;随着n+层厚度的变化,电池的短路电流密度和填充因子均存在一个最佳值。将优化后的p+/n+隧穿结分别应用于不锈钢衬底和聚酰亚胺衬底的非晶硅/微晶硅叠层太阳电池,分别获得了9.95%(AM0,1353 W/m2)和9.87%(AM0,1353 W/m2)的光电转换效率。

关键词：柔性衬底隧穿结非晶硅/微晶硅叠层太阳电池

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柔性衬底非晶硅/非晶硅锗叠层太阳电池

太阳能学报 2013年第12期34卷 2191-2195页

作者：刘成徐正军杨君坤上海空间电源研究所上海200245

首先研究沉积温度对p型材料的影响,并应用于非晶硅锗单结太阳电池,发现在140℃下沉积的p层最适合,这与非晶硅太阳电池有较大差别。其次研究3种不同结构隧穿结对叠层太阳电池性能的影响,发现p+-nc-Si/n+-a-Si隧穿结最优。在上述基础上,... 详细信息

首先研究沉积温度对p型材料的影响,并应用于非晶硅锗单结太阳电池,发现在140℃下沉积的p层最适合,这与非晶硅太阳电池有较大差别。其次研究3种不同结构隧穿结对叠层太阳电池性能的影响,发现p+-nc-Si/n+-a-Si隧穿结最优。在上述基础上,获得效率为11.21%的柔性聚酰亚胺衬底非晶硅/非晶硅锗叠层太阳电池。

关键词：柔性衬底非晶硅非晶硅锗叠层太阳电池隧穿结

紫外光下高度稳定的无机钙钛矿/有机叠层太阳电池

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物理化学学报 2018年第11期34卷 1195-1196页

作者：刘忠范北京大学化学与分子工程学院北京100871

近些年,有机太阳电池得到快速发展,但是在商业化进程中仍然面临巨大挑战。其中,电池稳定性问题(包括紫外光、水分、氧气等外界因素的影响)一直是人们关注的焦点。虽然良好的电池封装技术可以有效阻止水和氧气对有机太阳电池稳定性的影响... 详细信息

近些年,有机太阳电池得到快速发展,但是在商业化进程中仍然面临巨大挑战。其中,电池稳定性问题(包括紫外光、水分、氧气等外界因素的影响)一直是人们关注的焦点。虽然良好的电池封装技术可以有效阻止水和氧气对有机太阳电池稳定性的影响,然而,如何防止紫外光对有机共轭分子结构和光伏器件稳定性的影响仍是一大难题。尽管紫外光过滤薄膜可以有效过滤紫外光,但同时也会过滤部分可见光,造成太阳电池性能的下降。最近苏州大学李永舫研究团队的李耀文副教授等人采用无机钙钛矿/有机叠层太阳电池的策略,为提高电池的紫外光稳定性和电池效率提供了一种新思路,相关研究成果发表在近期的Advanced Materials上1。

关键词：叠层太阳电池光稳定性紫外光钙钛矿无机有机太阳电池过滤薄膜商业化进程

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高效率非晶硅叠层太阳电池的研制

电源技术 1995年第2期19卷 21-25,46页

作者：周雪梅徐重阳邹雪城王长安赵佰芳华中理工大学固体电子学系

深入研究了a-Si/a-Si/a-SiGe三结叠层通讯卫星电池的制备技术.为了提高叠层电池的转换效率,提出改善n/i界面特性的缓冲层技术和高光敏性a-SiGe:H(F)薄膜的高氢气稀释比、低反应气压的淀积技术.通过工艺优化,研制出了AM1(100mW/cm^2)光... 详细信息

深入研究了a-Si/a-Si/a-SiGe三结叠层通讯卫星电池的制备技术.为了提高叠层电池的转换效率,提出改善n/i界面特性的缓冲层技术和高光敏性a-SiGe:H(F)薄膜的高氢气稀释比、低反应气压的淀积技术.通过工艺优化,研制出了AM1(100mW/cm^2)光照下转换效率为11.5%的a-Si/a-Si/a-SiGe三结叠层太阳电池.

关键词：叠层太阳电池非晶硅锗薄膜太阳电池制造

GaInP_2/GaAs/Ge叠层太阳电池材料的低压MOCVD外延生长

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光子学报 2002年第2期31卷 209-212页

作者：李辉汪韬李宝霞赛晓峰高鸿楷中国科学院西安光学精密机械研究所光电子学室西安710068

本文采用自制的 L P-MOCVD设备 ,外延生长出 Ga In P2 / Ga As/ Ge叠层太阳电池结构片 ,对电池材料进行了 X射线衍射测试分析 .另外 ,采用二次离子质谱仪测试了电池结构的剖面曲线 .用此材料做出的叠层太阳电池 ,AMO条件下光电转换效率 ... 详细信息

本文采用自制的 L P-MOCVD设备 ,外延生长出 Ga In P2 / Ga As/ Ge叠层太阳电池结构片 ,对电池材料进行了 X射线衍射测试分析 .另外 ,采用二次离子质谱仪测试了电池结构的剖面曲线 .用此材料做出的叠层太阳电池 ,AMO条件下光电转换效率 η=1 3 .6% ,开路电压 Voc=2 2 3 0 m V,短路电流密度 Jsc=1 2 .6m A/ cm2 .

关键词： LP-MOCVD CaInP2/GaAs/Ge 叠层太阳电池外延生长镓铟磷化合物砷化镓锗