效率超30%！双面钙钛矿/晶硅叠层电池的IBC光栅设计与性能优化

全球正致力于提升钙钛矿光伏电池的效率，其中叠层太阳能电池(TSCs)因其高效率、低热损耗和易于集成成为研究热点。本研究采用美能绒面反射仪RTIS等先进表征手段，系统分析了双面钙钛矿/硅叠层电池的优化路径，重点探讨IBC结构和光栅设计对效率的提升作用，为下一代高效叠层太阳能电池的开发提供了理论和实验依据。

电池结构与材料选择

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顶部钙钛矿电池：

• 活性层：Cs₀.₀₅MA₀.₁₅FA₀.₈Pb(I₀.₈Br₀.₂)₃（带隙1.62 eV）
• 传输层：SnO2（ETL）/NiOX（HTL）组合，具有低温工艺兼容性和高稳定性
• 电极：双面ITO（30 nm阴极/200 nm阳极）
• 创新设计：IBC结构兼具光栅功能（周期Pg=700 nm，宽度Wg=350 nm）

底部硅异质结电池：

• 接触层：200 nm Al电极（分别连接n/p区）
• 载流子选择层：n型aSi（20 nm，掺杂1.5×1019cm-3）和p型aSi（20 nm，掺杂2×1019cm-3）
• 钝化层：5 nm本征aSi（i-aSi）
• 吸收层：300 μm n型晶体硅（掺杂5×1015cm-3）
• 界面层：1 nm缺陷硅（模拟界面复合）

中间连接层：

• 光学耦合层：150 nm SiO₂（折射率匹配）
• 电学隔离层：50 nm SiO₂（击穿场强>10 MV/cm）

电池各层材料的光电特性参数

所设计太阳能电池的(a)顶部电池与(b)底部电池能带结构示意图

模拟方法与参数设置

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光学模拟：采用时域有限差分法（FDTD），计算300–1200 nm波长范围内的吸收特性。载流子输运与复合：通过漂移-扩散方程模拟，关键参数包括：

• 陷阱辅助复合：钙钛矿层载流子寿命τₙ=τₚ=40ns（基于Nₜ=1×1015cm-3和σₙₚ=2.5×10-15cm2计算）。
• 俄歇复合：钙钛矿Cₙ=Cₚ=4.4×10-29cm6/s。
• 辐射复合：钙钛矿Cᵣ=5.3×10-11cm3/s。

反照率反射模拟：考虑不同地面类型（沥青、混凝土、雪等），通过系数0.1–0.8调整AM1.5G光谱强度。

顶电池减反射层（ARC）优化

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最优厚度点处钙钛矿层的透射光谱双层ARC（LiF/TiO2）在350–800 nm波段透光率更高（96% vs. 93%）。最优厚度：LiF（100 nm）/TiO2（22 nm）。

顶电池背接触光栅设计

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光电流密度(Jph)随顶部电池背接触光栅周期(Pg)及宽度周期比(Wg/Pg)的变化关系顶部电池的(a)短路电流密度(Jsc)、(b)光电转换效率(PCE)、(c)开路电压(Voc)及(d)填充因子(FF)随背接触光栅周期(Pg)和宽度周期比(Wg/Pg)变化的彩色映射图最佳参数：Pg=0.4 μm、Wg/Pg=0.4时，顶电池光电流（Jph）达20.3 mA/cm²。准电流匹配：Pg=0.7 μm、Wg/Pg=0.5时，顶/底电池Jph接近（19.45/19.91 mA/cm²）。

顶电池性能分析

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(a)(Pg, Wg/Pg)参数组的电流密度-电压(J-V)特性曲线；(b)电化学阻抗谱(EIS)奈奎斯特图不同光栅参数组合(Pg, Wg/Pg)下的吸收光谱与外量子效率(EQE)谱;(d)对应参数组的反射与寄生吸收光电流密度损失最优结构（Pg=0.7 μm、Wg/Pg=0.5）：

• 高复合电阻（Rrec=1.92 MΩ），低串联电阻（Rs=12.95 Ω）。
• 最高开路电压（Voc=1.196 V），PCE达19.3%。

较差结构（Pg=0.2 μm、Wg/Pg=0.6）：PCE仅6.23%，FF低至45%。

底电池减反射层（ARC）优化

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(a)双层(SiO₂/TiO₂)结构;(b)硅层表面对应的反射光谱SRV对电学参数的影响曲线双层ARC（SiO2/TiO2）最优厚度为SiO2=92 nm、TiO2=52 nm，光传输率提升至94%。效果：PCE提升至10.81%，Jsc增加9%。

底电池背接触光栅设计

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填充因子(FF)随n型非晶硅宽度(nw)及间隙宽度(Gw)变化的彩色映射图最优参数：nw=400 μm（占周期20%）、Gw=1280 μm（占80%）。效果：PCE达9.94%（Jsc=16.55 mA/cm²，Voc=0.734 V）。对比：nw过大（1600 μm）会降低空穴提取，PCE仅7.14%。

底电池性能分析

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不同反射率下的PCE对比柱状图(a)不同反照率反射条件下的电流密度-电压(J-V)特性曲线，(b)平均反照率与无反照率条件下的J-V特性曲线对比高反射环境（如雪地80%）：PCE达16.59%，较沥青（10%反射）提升53%。典型暗沙（30%反射）：Jsc和PCE较无反射时分别提升43%和46%。

最佳性能

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双面钙钛矿/晶硅叠层电池与文献报道性能对比顶电池：双层ARC+光栅（Pg=0.7 μm、Wg/Pg=0.5）组合最优，兼顾高透光、低反射（3.5 mA/cm²损失）和高效电荷收集。底电池：通过IBC几何优化（Gw最大化）和双层ARC，在雪地等高反射环境下PCE可达16.59%。总效率：结合顶电池后，总效率突破30%，为平面结构叠层电池的最高水平之一。

美能绒面反射仪

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美能绒面反射仪RTIS通过漫反射激发电池片，然后通过8度角采用光谱仪检测。RTIS具有定位的机台和导轨，能够方便而快速地送入样品，实现电池片样品的定位，提高使用人员的工作效率。

• 光谱测试范围可达：350-1050nm
• 快速、自动任意多点测量
• 每点测试速度约0.1s，检测时间仅为传统反射率的1/10
• 精准测量反射率、膜厚等多项重要参数

本研究通过多物理场协同优化，首次实现双面模式下顶/底电池IBC一体化设计，并系统解决了陷阱复合、材料稳定性等产业化瓶颈。结合美能绒面反射仪RTIS（测试速度0.1s/点）对反射率与膜厚的精准测量，总效率突破30%，为低成本、高效率叠层太阳能电池的实用化提供了突破性解决方案。

原文出处：Back contact optimization of both sub-cells in bifacial perovskite/silicon tandem solar cell

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