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寧波材料所/蘇州大學,最新Nature Energy!
米測 納米人 2023-11-17

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特別說明:本文由米測技術中心原創撰寫,旨在分享相關科研知識。因學識有限,難免有所疏漏和錯誤,請讀者批判性閱讀,也懇請大方之家批評指正。
原創丨彤心未泯(米測 技術中心)
編輯丨風云

鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池發展迅速,連接頂部和底部子電池的復合層對于進一步的進展至關重要。然而,目前提高器件效率的努力主要集中在頂部子電池的改進上。

有鑒于此,中科院寧波材料所葉繼春、楊熹、楊陣海和蘇州大學李孝峰等人提出了一種鈣鈦礦/隧道氧化物鈍化接觸硅串聯電池,創新地將多晶硅(p+)/多晶硅(n+)隧道復合層(多晶硅TRL)集成到高效鈣鈦礦/TOPCon TSC中。通過本質上抑制摻雜劑相互擴散和補償,獲得了具有優異鈍化性能和低接觸電阻的高質量多晶硅TRL。(2-(3,6-二甲氧基-9H-咔唑-9-基)乙基)膦酸在多晶硅基板上的強吸附能力能夠實現有效的載流子傳輸和提取,特別是對于頂部鈣鈦礦子電池。該器件實現了29.2%的效率(經認證為 28.76%),并在連續最大功率點跟蹤500小時后保留了初始效率的85%。此外,作者提供了載流子傳輸和隧道機制的見解,為追求高效率疊層太陽能電池的中間層設計提供了指導。 
  
鈣鈦礦/TOPCon TSC 的光伏性能

作者展示了多晶硅TRL的鈣鈦礦/TOPCon TSC的結構圖,HR-TEM和EDS圖探索了多晶硅(p+)/多晶硅(n+)疊層的成分和晶體結構,表明了高質量鈣鈦礦薄膜晶硅襯底特性,多晶硅薄膜具有較高的結晶度,厚度約31nm。然后研究了具有多晶硅TRL的鈣鈦礦/TOPCon TSC的光伏性能,采用多晶硅 TRL的TSC表現出較高的PCE,為29.2%,開路電壓(Voc)為1.83?V,Jsc為19.7?mA?cm?2,填充因子(FF)為81.0%。本研究顯示的29.2%的效率是迄今為止鈣鈦礦/TOPCon TSC 的最高效率之一。作者還研究了相關器件的長期穩定性,采用多晶硅TRL的簡單封裝TSC表現出良好的長期前景穩定性,500 小時后仍保留其初始 PCE 的 85%。    

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  微觀和光伏特性

多晶硅隧道結的表征

為了評估多晶硅(p+)/多晶硅(n+) 隧道結(TJ)的性能,進行了電化學電容電壓(ECV)和二次離子質譜(SIMS)測量,以量化活化雜質和摻雜雜質,結果表明多晶硅(p+)/多晶硅(n+)層內的活化/摻雜雜質濃度保持相對較高,并在多晶硅層處顯示出清晰的摻雜邊界,表明摻雜劑補償和相互擴散有限。TJ能帶圖的測量證實了高效TJ的形成。作者接著評估了多晶硅(p+)/多晶硅(n+)TJ的質量,表明著在多晶硅(n+)層頂部引入額外的多晶硅(p+)層不會降低樣品的鈍化質量。電性能的表征表明,引入多晶硅(p+)/多晶硅(n+)TJ不會對TOPCon SC的性能產生不利影響。    

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圖  性能表征

MeO-2PACz吸附計算及特性

作者通過第一原理DFT模擬研究了MeO-2PACz在IZO和SiO2基多晶硅基板上的吸附能力,結果表明MeO-2PACz在SiO2基上具有更強的吸附能力。基于多晶硅襯底,進一步計算了晶體軌道漢密爾頓布居(COHP)來表示化學鍵的強度,表明MeO-2PACz吸附在SiO2的多晶硅基板上時形成更穩定和更強的化學物質。    

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圖  MeO-2PACz吸附計算及特性

載流子提取特征

接著,作者通過KPFM、UPS等檢查了與能帶結構和電荷載流子傳輸/提取行為相關的電特性。穩態光致發光(PL)和時間分辨PL(trPL)測量被用于證實多晶硅(p+)對頂部鈣鈦礦子電池的有益影響。為了更深入地了解電荷復合動力學,作者進行了超快瞬態吸收(fs-TA)表征。研究結果表明空穴的提取被促進并有效抑制了鈣鈦礦/HTL 界面處的非輻射復合,可以推斷基于多晶硅TRL的TSC的Voc和PCE的改善主要歸因于基于鈣鈦礦的頂部子電池。基于多晶硅 TRL的TSC中觀察到載流子傳輸和提取得到改善,這是推動基于多晶硅 TRL 的 TSC 的 Voc 和 PCE 增強的主要因素。    

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圖  IZO和多晶硅(p+)基板上樣品的電特性

載流子傳輸和隧道機制

最后,作者通過使用Silvaco TCAD 軟件中的有限元方法進行器件仿真研究了具有多晶硅TRL的鈣鈦礦/TOPCon TSC 的載流子傳輸和隧道機制。研究結果表明載流子可能通過陷阱輔助隧道效應(TAT)而不是帶間隧道效應(BBT)進行重組,載流子傳輸以BBT為主。作者還展示了多晶硅(p+)和多晶硅(n+)的摻雜濃度對器件性能的影響,結果表明,當摻雜濃度較低時,載流子隧道效應對主要由TAT主導的缺陷濃度敏感,導致FF和效率較低。相反,當摻雜濃度較高時,載流子隧穿主要由BBT主導,與缺陷濃度基本無關,從而導致較高的FF和效率。    

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圖  載體傳輸機制


參考文獻:
Zheng, J., Ying, Z., Yang, Z. et al. Polycrystalline silicon tunnelling recombination layers for high-efficiency perovskite/tunnel oxide passivating contact tandem solar cells. Nat Energy (2023). 
https://doi.org/10.1038/s41560-023-01382-w    

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