硅基薄膜叠层太阳能电池中间层双功能协同的机制研究

Low cost, high stability and high efficiency of tandem solar cells composited with amorphous silicon cell/microcrystalline silicon cell are desirable in the present PV field. Issue for the current balance generated respectively by top and bottom subcell is a key factor in restricting the overall cell efficiency. In order to obtain sufficient top subcell current, a new technique has been applied into the cell structure by using an "intermediate layer" as a light reflector. However, there is lack of study on the intermediate layer. For purpose of exploring the mechanisms of the selective redistribution for the incident light and then the current balance, this project proposes an investigated goal of intermediate layer of silicon oxides (SiOx), by which probably establishs a "dual-function" model of both the optical management and electrical control. Furthermore, combinating theoretic and experimental works, we hope make clear whether does the "dual-function" mechanism be collaborative or not, and then develop a new type of intermediate layer cell corresponding to " dual-function coordinated" mechanism.

开发低成本、高稳定和高效率的非晶硅电池/微晶硅薄膜叠层太阳能电池是当前光伏领域的重要目标之一，而叠层中子电池的电流匹配是制约电池整体转换效率提高的关键因素，针对该因素的重要解决方案"中间层技术"的研究工作尚缺少。申请项目提出开展以SiOx为代表的中间层研究，重点探索中间层在入射光的选择性再分配以及光生电流相匹配的物理机理和器件性能，确立中间层对光管理和电控制"双功能"作用的演变规律和比较优势。在建立中间层叠层电池光电理论模型的基础上，研究探明中间层的主要特征（组分、界面、掺杂、尺度等）对光子选择吸收以及载流子行为的作用机理；比较研究理论模型和实际数据的异同，揭示中间层的制备条件及其工艺参数对其光学性质（折射率、吸收和反射系数、光学带隙等）及电学性质（光、暗电导率）的关系；解决中间层替代顶电池n-a-Si层中的瓶颈问题，发展新型中间层的"双功能-协同"原型电池，推动硅基薄膜叠层太阳能电池发展

开发低成本、高稳定和高效率的非晶/微晶硅薄膜叠层太阳能电池是光伏领域的重要研究目标，而叠层电池中子电池的电流匹配严重制约了电池整体转换效率。本项目通过在叠层电池中引入具有光管理和电控制“双功能”协同作用机制的中间层，提高叠层电池中顶、底电池的电流匹配，实现电池整体效率的提升，同时澄清了具备“双功能-协同”机制的中间层材料的主要特征。着重研究了中间层材料的主要特征（组分、界面、掺杂、尺度等）对其典型光学常数（折射率、光学带隙等）与主要电学性质（电导率、费米能级）的影响规律，以及对叠层电池中光的选择性再分配、能带结构、内建电场和载流子输运行为等作用机制，发展了具有提高叠层太阳能转换效率的“中间层材料”及“中间层技术”。项目以SiOx为主要对象的中间层，首先在a-Si/μc-Si叠层太阳能电池中引入SiOx薄膜中间层材料，提升了顶、底电池的电流匹配，使叠层电池组件效率在有效面积下从10.5%提升到11.9%。接着采用n-μc-SiOx薄膜作为电池的中间层以及n层，实现高效的光子选择性反射-透射与吸收以及载流子产生-分离-输运控制的“双功能-协同”作用。经过顶电池和底电池的优化后，在0.79 m2的衬底上制备出全面积初始转换效率为12.8%的非晶硅叠层电池。然后采用p型 SiOx薄膜替代a-SiCx:H作为非晶硅电池P层，有效抑制了电池的S-W效应，经过250小时的光照实验后,电池效率衰减率由16.1%降低到13.9%，提高了电池的稳定性。最后结合本征层的优化工作，研究了p型a-SiOx:H薄膜在非晶硅锗三结电池中的应用，使三结电池初始效率达到了11.29%，同时提升了电池的光照稳定性。实现了中间层材料在非晶硅薄膜叠层电池中的应用以及电池效率与稳定性的提升，圆满地完成了科研目标。