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前面我們講到，目前頂電池有兩種潛在候選材料：III-V族半導(dǎo)體和鈣鈦礦。 那么，這兩種候選材料各有何優(yōu)劣？ 首先，III-V族半導(dǎo)體頂電池可與晶硅底電池配合使用。由于晶格失配和溫度收支現(xiàn)象，兩種材料無法直接用外延法生長在一起。 目前，III-V族半導(dǎo)體頂電池與晶硅底電池的雙結(jié)疊層組合已在實(shí)驗(yàn)室中達(dá)到了32.8%的轉(zhuǎn)換效率[7]。不過，這種電池技術(shù)的成本比晶硅電池高出了一個(gè)數(shù)量級(jí)。用外延法生長在鍺或砷化鎵晶片表面，再進(jìn)行剝離和轉(zhuǎn)移，似乎是最可行的做法，不過這在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性方面是否可行，尚有待證明。圖7所示為上述結(jié)構(gòu)的截面示意圖[8]。 目前，我們認(rèn)為該技術(shù)在經(jīng)濟(jì)性上未達(dá)到量產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。  圖7：磷化鎵銦/硅基雙結(jié)疊層太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖[8] 第二個(gè)選項(xiàng)是采用鈣鈦礦太陽能電池作為頂電池。近年來，全球各地的實(shí)驗(yàn)室在鈣鈦礦電池研發(fā)方面都取得了重大進(jìn)展。鈣鈦礦單結(jié)電池的轉(zhuǎn)換效率已超過20%。2018年6月，牛津光伏（Oxford PV）公司成功開發(fā)出效率高達(dá)27.3%的鈣鈦礦/硅基雙結(jié)疊層電池，首次打破了單結(jié)晶硅電池26.6%的世界紀(jì)錄[9]。 鈣鈦礦是一種前景非常廣闊的吸收體材料。它們屬于直接帶隙半導(dǎo)體，因此其作為太陽能電池的吸收體材料時(shí)，厚度只需達(dá)到1 μm即可。禁帶寬度的調(diào)整范圍為1.5 eV左右至1.7 eV以上。而且，即便采用低成本沉積技術(shù)，也能實(shí)現(xiàn)出色的復(fù)合特性。其開路電壓也正在逐步逼近肖克利-奎伊瑟極限。 鈣鈦礦太陽能電池在短時(shí)間內(nèi)就能取得如此驚人的進(jìn)展，著實(shí)令人印象深刻，但鈣鈦礦/硅基雙結(jié)疊層電池在實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)之前，還需要克服不少難關(guān)。 最大的挑戰(zhàn)就是如何確保鈣鈦礦電池的長期穩(wěn)定性。標(biāo)準(zhǔn)組件可以在惡劣的戶外氣候條件下耐受25-30年，而鈣鈦礦在幾分鐘之內(nèi)便會(huì)退化。不過，這方面目前也已取得顯著進(jìn)展：鈣鈦礦/硅基雙結(jié)疊層電池與雙玻組件技術(shù)相結(jié)合，可以通過DH1000或TC200試驗(yàn)[10]。目前，研發(fā)人員正在努力提高鈣鈦礦/硅基雙結(jié)疊層電池抵抗紫外線輻射、濕氣、高溫和氧氣的能力。 第二項(xiàng)挑戰(zhàn)在于要將不足1cm2的實(shí)驗(yàn)室級(jí)電池提升到正常硅片大小。這需要進(jìn)行大量的工程設(shè)計(jì)，不過可以借助晶硅電池、薄膜電池及蓄電池生產(chǎn)中成熟的沉積技術(shù)，因此該項(xiàng)挑戰(zhàn)不至于成為根本性障礙。 鈣鈦礦通常含有鉛、銫等劇毒元素。目前，這一點(diǎn)不會(huì)影響其在光伏組件中的使用，因?yàn)榫Ч桦姵亟M件的焊帶和金屬化漿料中也含有鉛。不過，未來新的法規(guī)也許會(huì)限制光伏組件使用有毒材料。如有需要，漿料和焊帶中的鉛可以輕而易舉地找到替代品。但鉛是構(gòu)成鈣鈦礦的主要元素之一，目前還無法被取代。  原則上來說，雙結(jié)疊層電池組件有兩種設(shè)計(jì)方法。一種方法是采用集成一體化結(jié)構(gòu)：將底電池和頂電池集成在同一個(gè)電池片（如圖8所示），再按照標(biāo)準(zhǔn)晶硅電池的工藝將雙結(jié)疊層電池連接起來，形成電池組件。另一種方法是將頂電池和底電池分開，制成兩個(gè)組件，然后再串聯(lián)疊放并封裝在一起。底電池組件的敷設(shè)多多少少有標(biāo)準(zhǔn)可循。頂電池組件可采用薄膜疊瓦技術(shù)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于頂電池和底電池之間不需要電流匹配，缺點(diǎn)在于接觸和電池連接的工作量翻倍。 我們相信，在協(xié)同效應(yīng)、成本和生產(chǎn)良率方面，第一種方法的前景更加光明。此外，就目前的生產(chǎn)技術(shù)而言，這種方法所需要的改動(dòng)也少得多。因此，我們將重點(diǎn)關(guān)注一體化雙端疊層電池。  圖8：典型的一體化雙結(jié)疊層電池結(jié)構(gòu)[11] 底電池可以采用P型硅片或N型硅片。雖然大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目都采用N型異質(zhì)結(jié)電池，但P型電池其實(shí)也是可行的。其中，頂電池和底電池的極性需要相匹配，這一點(diǎn)至關(guān)重要。在集成一體化型電池結(jié)構(gòu)中，頂電池通常采用“反型”結(jié)構(gòu)，將P層作為底層。這意味著底電池也需要將P接觸層作為底層，這一點(diǎn)可以通過背結(jié)N型電池或常規(guī)的P型電池來實(shí)現(xiàn)。 不論是N型電池還是P型電池，都需要在頂電池形成隧穿結(jié)以及一層（導(dǎo)電）光學(xué)層。底電池正面無需鍍減反射膜，也無需金屬化。由于底電池不導(dǎo)電，因此不適合采用標(biāo)準(zhǔn)氮化硅正面鈍化工藝，可以選擇晶硅/氧化銦錫（a-Si/ITO）異質(zhì)結(jié)技術(shù)，或選擇帶ITO覆蓋層的多晶硅鈍化接觸作為光學(xué)元件。 目前，鈣鈦礦沉積工藝還不適用于制絨表面，因此底電池的正面需要進(jìn)行拋光。不過，只要背面是制絨表面，正面拋光只會(huì)造成些微損耗。 頂電池通常采用反型結(jié)構(gòu)，第一層為空穴傳輸層（HTL），可采用賀利氏生產(chǎn)的氧化鎳或PEDOT:PSS?？昭▊鬏攲颖仨氉銐虮?，以防止紅外寄生吸收。 鈣鈦礦吸收體層的禁帶寬度可調(diào)整至1.55-1.6 eV，以便用于雙面電池。許多論文特別關(guān)注如何提高鈣鈦礦的禁帶寬度，使其達(dá)到1.7-1.8 eV，并且設(shè)法解決寬禁帶材料的潛在損耗較高這一問題。機(jī)緣巧合的是，在確定與雙面電池相匹配的電流時(shí)，恰好可以選用最合適的鈣鈦礦種類。 對(duì)于電子傳輸層（ETL）來說，PCBM聚合物是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，其次是用于橫向?qū)щ姴⒆鳛闇p反射膜的ITO層。 鈣鈦礦只能承受130-150 °C的溫度，因此無法采用溫度高達(dá)900 °C左右的標(biāo)準(zhǔn)燒結(jié)工藝，而必須用低溫銀漿取代標(biāo)準(zhǔn)銀漿或鋁漿。賀利氏可根據(jù)燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間的具體要求為客戶提供定制漿料。 如果采用PERC電池作為底電池，那么目前還沒有合適的低溫鋁漿。晶硅和鋁的共晶溫度為577 °C，要在低于這個(gè)溫度的情況下形成局部背場(chǎng)可能比較困難。因此，背面金屬化必須在頂電池沉積之前完成印刷和燒結(jié)。不過，這種無法保證清潔度的金屬化工藝（含粉塵及有機(jī)殘留物）可能會(huì)對(duì)后續(xù)工藝及頂電池的質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。此外，還可以選擇涂覆背銀柵線，該工藝目前在雙面異質(zhì)結(jié)技術(shù)和隧穿氧化層鈍化接觸（TopCon）技術(shù)中均有使用。 在任何情況下，正面（和背面）的低溫銀柵線的電阻率均高于標(biāo)準(zhǔn)銀柵線。因此，雖然電流減半，但建議選擇多主柵（MBB）結(jié)構(gòu)來降低串聯(lián)電阻，減少銀漿用量。多柵線連接和低溫焊錫涂層有可能成為電池連接工藝的理想選擇。此外，也可以考慮采用導(dǎo)電膠的疊瓦技術(shù)。賀利氏可根據(jù)固化溫度的具體要求為客戶提供定制導(dǎo)電膠。由于電流只有5A左右，半片電池組件很可能沒有明顯優(yōu)勢(shì)。  圖9：單結(jié)電池和雙結(jié)疊層電池的組件生產(chǎn)成本與電池效率的關(guān)系 由于光伏平衡系統(tǒng)（BOS）帶來的額外成本，從系統(tǒng)層面來看，每瓦組件價(jià)格會(huì)隨著組件效率的提高而上漲。圖10顯示了當(dāng)組件效率提升時(shí)，為保持光伏系統(tǒng)成本不變，組件價(jià)格的上漲空間。根據(jù)不同的BOS成本，組件效率每提高1%（絕對(duì)值），組件價(jià)格可提高約0.01歐元/瓦。 因此，雙結(jié)疊層電池所需要的效率增益可以更低：只需要2-3%（絕對(duì)值）即可，不用達(dá)到5%（絕對(duì)值）。這樣，組件生產(chǎn)成本只增加不到0.02歐元/瓦，而且可以轉(zhuǎn)嫁到組件價(jià)格上。  圖10：在保持光伏系統(tǒng)成本不變的前提下，組件價(jià)格的允許上漲空間與組件效率的關(guān)系。 鈣鈦礦太陽能電池如今已成為雙結(jié)疊層電池的可行解決方案，可搭配晶硅底電池，并且在全球各地的多家實(shí)驗(yàn)室內(nèi)都取得了良好的試驗(yàn)成果。未來幾年內(nèi)，有望開發(fā)出轉(zhuǎn)換效率比單結(jié)晶硅電池高出2-3%（絕對(duì)值）的雙結(jié)疊層電池。鈣鈦礦雙結(jié)疊層電池在經(jīng)濟(jì)性方面也頗具吸引力。目前最大的挑戰(zhàn)依然是鈣鈦礦電池缺乏長期穩(wěn)定性。 主流晶硅電池與組件技術(shù)的發(fā)展也令鈣鈦礦雙結(jié)疊層電池受益匪淺，如多主柵連接和雙玻雙面組件。要將鈣鈦礦頂電池直接疊加在PERC底電池上似乎頗具挑戰(zhàn)性，不過可以選擇異質(zhì)結(jié)電池或TopCon電池作為底電池，從而進(jìn)一步推動(dòng)未來電池技術(shù)的發(fā)展。 憑借我們的低溫銀漿、PEDOT:PSS和導(dǎo)電膠，賀利氏將為客戶開發(fā)鈣鈦礦雙結(jié)疊層電池技術(shù)提供一臂之力。 鈣鈦礦電池目前還存在許多問題，因此距離實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)還有很長的一段路。不過，此類電池是目前唯一有望突破肖克利-奎伊瑟（Shockley-Queisser）極限、光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到30%以上的可行解決方案。 |
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