【摘 要】
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晶硅/钙钛矿叠层太阳电池由底电池(晶硅太阳电池)和顶电池(钙钛矿太阳电池)通过中间连接层串联制备。晶硅/钙钛矿叠层太阳电池的理论转换效率超过40%,具有很大的研究价值和产业应用前景。中间连接层是高效叠层太阳电池的基础,对电池的光电性能起着决定性作用。目前透明导电氧化物薄膜(Transparent Conductive Oxide Flims,TCO)是中间连接层的研究热点之一。本文采用磁控溅射法制
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晶硅/钙钛矿叠层太阳电池由底电池(晶硅太阳电池)和顶电池(钙钛矿太阳电池)通过中间连接层串联制备。晶硅/钙钛矿叠层太阳电池的理论转换效率超过40%,具有很大的研究价值和产业应用前景。中间连接层是高效叠层太阳电池的基础,对电池的光电性能起着决定性作用。目前透明导电氧化物薄膜(Transparent Conductive Oxide Flims,TCO)是中间连接层的研究热点之一。本文采用磁控溅射法制备TCO薄膜,包括掺锡氧化铟(Tin-doped indium oxide,ITO)和掺钛氧化铟(Titanium doped indium oxide,ITiO)。重点研究了磁控溅射工艺中溅射功率和衬底温度对TCO薄膜光电性能的影响。结合晶硅/钙钛矿叠层太阳电池的器件要求,将TCO薄膜作为钙钛矿太阳电池的透明电极和晶硅/钙钛矿叠层太阳能电池中间连接层,并优化电池光电性能。(1)研究了磁控溅射工艺中溅射功率和衬底温度对ITO和ITiO薄膜材料结构和光电性能影响。实验中发现衬底温度较溅射功率对ITO和ITiO薄膜材料的沉积生长影响更显著。实验结果表明ITO或ITiO薄膜电导率随溅射功率(30~180 W)或衬底温度(30~350℃)增加而增加。TCO薄膜电导率随着衬底温度增加主要是由于载流子迁移率的提升。在300~800 nm波长范围内ITO或ITiO薄膜的平均透过率随着衬底温度的增加而增加,且在800~1400 nm波长范围的透过率均大于70%。这有利于提高叠层器件中底电池的光生电流。通过优化溅射工艺,获得了电导率为3.7×103 S/cm,光学禁带宽度为3.95 eV的ITO薄膜材料。(2)在晶硅/钙钛矿叠层器件中,顶电池是钙钛矿太阳电池,具有双面入光的特点。本文将ITO作为双面入光太阳电池的正电极。研究表明在ITO和空穴传输层中间引入氧化钼MoOx缓冲层可以有效地抑制ITO溅射过程中对空穴传输层的损伤。实验表明当MoOx缓冲层厚度在10~15 nm时,半透明钙钛矿太阳电池填充因子和短路电流密度达到最佳值,此时电池的光电转换效率最佳。电池的双面率为69.5%,这得益于电子传输层的宽禁带和MoOx/ITO的减反射效果,当光从玻璃衬底(SnO2电子传输层)一侧入射时电池的短路电流密度较高。(3)在晶硅异质结太阳电池上通过溅射ITO中间层和旋涂钙钛矿顶电池各功能层制备了晶硅/钙钛矿叠层太阳电池。这是本实验室首次制备的两端晶硅/钙钛矿叠层太阳电池。该叠层器件的短路电流密度为8.9 mA/cm2,开路电压为980.6 mV,填充因子为40.2%,光电转换效率为3.5%。该叠层太阳电池的光电性能主要受限于顶电池和底电池的电流失配,以及ITO中间层与晶硅太阳电池衬底的界面状态。后续通过优化顶层钙钛矿太阳电池的光电特性和改善底层晶硅太阳电池衬底与ITO中间连接层界面可进一步提升叠层器件的光电转换效率。本论文系统地研究了磁控溅射工艺中溅射功率和衬底温度对ITO和ITiO薄膜材料结构和光电性能影响。探究了 ITO薄膜在晶硅/钙钛矿叠层太阳电池器件中的应用。在实验室首次制备了具有光生电流电压输出的叠层器件。
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