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前沿光伏技術(shù)之三結(jié)疊層電池：從“航天貴族”到“全民能源”
2025-07-29 15:29:28
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傳統(tǒng)的硅基太陽電池效率已接近理論極限，而科學(xué)家們?cè)缫褜⒛抗馔断蛄硕嘟Y(jié)疊層太陽電池，尤其是三結(jié)疊層太陽電池（Triple-Junction Tandem Solar Cells, TJSCs）——它能將太陽光分段吸收，理論效率高達(dá)51.8%（AM1.5G標(biāo)準(zhǔn)光譜）[1]，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)單結(jié)太陽電池的33.7%[2]。
早期的三結(jié)疊層太陽電池采用III-V族半導(dǎo)體材料（如GaInP/GaAs/Ge），雖在航天領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)超40%的效率[3]，但高昂成本阻礙了其地面應(yīng)用。2010年后，隨著鈣鈦礦材料的崛起，三結(jié)疊層技術(shù)迎來轉(zhuǎn)折點(diǎn)。鈣鈦礦材料兼具帶隙可調(diào)、溶液法制備、成本低等優(yōu)勢(shì)，使得高效三結(jié)疊層電池的規(guī)模化應(yīng)用成為可能。
那么，三結(jié)電池憑什么這么強(qiáng)？它會(huì)是光伏的潛力股嗎？本文將全面剖析三結(jié)疊層太陽電池的基本原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析其在效率提升方面的優(yōu)勢(shì)，并探討當(dāng)前研究難點(diǎn)及未來應(yīng)用前景，揭示這一技術(shù)如何通過更高效地利用太陽光譜，將光伏轉(zhuǎn)換效率推向新的高度。
二、三結(jié)電池的核心原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
AM1.5G太陽光的光譜很寬（300-2500 nm），但普通硅電池只能吸收其中一部分，其余能量要么“吃不掉”（紅外光），要么“吃太撐”（紫外光變成熱量浪費(fèi)）。
TJSCs通過堆疊三個(gè)不同帶隙的子電池，每層子電池專門捕獲和轉(zhuǎn)換特定波長范圍的太陽能。當(dāng)陽光從透明電極入射時(shí)，高能量光子被寬帶隙材料（圖1(a)藍(lán)色區(qū)域）吸收，中低能光子被中間帶隙材料（圖1(a)綠色區(qū)域）吸收，低能光子被窄帶隙材料吸收(圖1(a) 橙色區(qū)域)。因此，互補(bǔ)的吸收層帶隙組合可以更好地利用太陽光譜，減少熱化損失，并實(shí)現(xiàn)比單結(jié)電池更高的理論效率極限。
理想的三結(jié)電池結(jié)構(gòu)[4]：
- 頂電池帶隙約1.8-2.2 eV，專門吸收高能量的紫外光和可見光；
- 中間電池帶隙約1.4-1.6 eV，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換中段可見光；
- 底電池帶隙約0.9-1.1 eV，主要捕獲近紅外光。
如圖1 (a) 所示，這種階梯式帶隙排列的電池使全波段的光子能被最合適的材料層吸收，提高光譜利用率，極大地提升了光電轉(zhuǎn)換效率。而鈣鈦礦材料的禁帶寬度可以在1.2-3.0 eV之間連續(xù)調(diào)節(jié)[5]，這為構(gòu)建多結(jié)疊層太陽電池提供了新的選擇。三結(jié)鈣鈦礦基疊層太陽電池效率演變?nèi)鐖D1 (b) 所示，其中鈣鈦礦/鈣鈦礦/硅疊層太陽電池具有更高的效率潛力。圖1 (c) 中三種不同類型的TJSCs分別為鈣鈦礦/鈣鈦礦/硅疊層太陽電池、全鈣鈦礦疊層和鈣鈦礦/鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽電池。
圖 1 (a) 三結(jié)疊層太陽電池光響應(yīng)原理; (b) 三結(jié)鈣鈦礦基疊層太陽電池效率演變; (c) 三結(jié)鈣鈦礦基疊層太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖[4]
根據(jù)底部電池的類型，多結(jié)疊層太陽電池的功能層沉積順序不同。由于光需要從寬帶隙吸光層側(cè)入射，在全鈣鈦礦疊層和鈣鈦礦/鈣鈦礦/有機(jī)疊層太陽電池中，寬帶隙鈣鈦礦薄膜最先沉積在導(dǎo)電玻璃襯底上，之后沉積中間帶隙鈣鈦礦電池，最后沉積窄帶隙的鈣鈦礦電池或有機(jī)電池。而在鈣鈦礦/鈣鈦礦/硅疊層太陽電池中，硅電池本身充當(dāng)襯底，在其表面依次沉積中間帶隙鈣鈦礦層和寬帶隙鈣鈦礦層。
兩端疊層電池中，各子電池間通過中間互連層形成電學(xué)連接，需要一定的電導(dǎo)率促進(jìn)電子和空穴的有效復(fù)合[6]，并要保證高透光性(低寄生光吸收和低光反射)，以降低光學(xué)損耗。此外，還要求中間互連層具有較強(qiáng)的溶劑阻隔能力，確保二次制備鈣鈦礦時(shí)前一層鈣鈦礦薄膜不被溶解[7]。得益于在雙結(jié)疊層電池領(lǐng)域取得的結(jié)果，研究人員已經(jīng)確認(rèn)反式p-i-n結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦太陽電池具有較低的光學(xué)損耗[8]，更適合構(gòu)建疊層電池。
（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與帶隙匹配問題
理想帶隙組合（硅基底電池：1.95/1.44/1.1 eV；全鈣鈦礦：2.04/1.58/1.22 eV）與實(shí)際材料不匹配，頂電池寬帶隙鈣鈦礦（1.85–2.15 eV）研究匱乏，現(xiàn)有材料難以兼顧寬帶隙與穩(wěn)定性（如有機(jī)-無機(jī)混合鈣鈦礦需高溴含量，但易引發(fā)相分離）。此外，串聯(lián)的TJSCs輸出電流受限于最低電流子電池，需精確調(diào)控各層厚度與帶隙（圖2模擬顯示最佳組合效率僅38.8%）。因此，最佳TJSCs帶隙組合尚待實(shí)現(xiàn)。
圖 2 全鈣鈦礦疊層太陽電池的最大實(shí)際PCE為36.6%時(shí)的 (a) EQE曲線; (b) J-V曲線; 鈣鈦礦/鈣鈦礦/硅疊層太陽電池的最大實(shí)際PCE為38.8%時(shí)的 (c) EQE曲線; (d) J-V曲線[9]
目前，寬帶隙鈣鈦礦材料體系主要包括準(zhǔn)二維鈣鈦礦、碘溴混合的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合鈣鈦礦和無機(jī)鈣鈦礦[4]。其中，二維鈣鈦礦具有高激子結(jié)合能和低載流子遷移率；全無機(jī)鈣鈦礦通常需要200℃以上的退火過程，必須優(yōu)先制備，否則會(huì)造成底層和中間鈣鈦礦太陽電池的降解[10]；而碘溴混合鈣鈦礦在光照下形成富溴/富碘區(qū)，這些區(qū)域缺陷增加導(dǎo)致電荷復(fù)合增加，繼而造成開路電壓和效率衰減。
為解決寬帶隙鈣鈦礦穩(wěn)定性問題，已研究出多種解決方案[4]：采用組分工程例如摻銣、鉀引發(fā)晶格畸變，抑制離子遷移；采用添加劑硫氰酸鉛（Pb(SCN)?）增大晶粒尺寸，苯乙基磺化銨（PEAI）改善鈣鈦礦結(jié)晶均勻性；在三維鈣鈦礦表面旋涂胺鹽（如PEAI/BABr）制備二維鈣鈦礦層，進(jìn)行界面鈍化，阻隔離子擴(kuò)散等。
在TJSCs電池中，子電池通過中間互連層串聯(lián)在一起，中間層造成折射率差異會(huì)導(dǎo)致較大的光學(xué)干擾，從而出現(xiàn)不必要的光學(xué)損失。因此，減少反射損失以及最小化中間互連層的寄生吸收至關(guān)重要。此外，中間互連層除了滿足低電阻損耗和高光學(xué)透明度等基本要求外，橫向電導(dǎo)率也應(yīng)盡可能低，減少鈣鈦礦頂部電池中的漏電路徑，實(shí)現(xiàn)更大面積的串聯(lián)器件。另外，互聯(lián)層制備工藝不相容，易造成底電池?fù)p傷。
可折中選擇TCO疊加原子層沉積SnO2緩沖層來減少濺射損傷[11]，或采用在聚乙氧基化乙烯亞胺（PEIE）涂層上濺射ITO[12]等方式制備中間互聯(lián)層。
鈣鈦礦電池大多采用溶劑法制備，而上層鈣鈦礦溶液（含DMF/DMSO溶劑）溶解下層薄膜會(huì)破壞電池結(jié)構(gòu)。可采用低極性溶劑（乙醇/甲胺），或真空沉積替代溶液法[13]。另外，工藝中還存在退火溫度沖突，頂電池高溫退火（＞150℃）會(huì)導(dǎo)致底層有機(jī)材料/鈣鈦礦降解；互聯(lián)層TCO在濺射制備過程中對(duì)下方膜層造成損傷，需ALD-SnO2或PEIE緩沖層保護(hù)（增加工藝復(fù)雜度）[12]。
TJSCs電池通過帶隙調(diào)節(jié)和工藝優(yōu)化，有望突破單結(jié)電池的效率極限，成為下一代光伏技術(shù)的核心。鈣鈦礦材料的引入進(jìn)一步降低了制造成本，并提供了更高的設(shè)計(jì)靈活性。盡管仍面臨穩(wěn)定性、工藝兼容性等挑戰(zhàn)，但隨著材料科學(xué)和制造技術(shù)的進(jìn)步，TJSCs電池有望實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)邁向50%的更高效率時(shí)代。
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