雙層疊層技術制備高效率鈣鈦礦/CIGS疊層太陽能電池

睽違三年!鈣鈦礦/CIGS雙層疊層電池達22.43%效率!

UCLA 楊陽教授團隊及Qifeng Han、Yao-Tsung Hsieh和Lei Meng,以及日本Solar Frontier Corp的ARC研究中心(Atsugi Research Center)合作,運用雙層疊層技術,研發出轉換效率高達22.43 %的鈣鈦礦/CIGS疊層太陽能電池。
該團隊在器件在頂層塗上一層薄薄的鈣鈦礦作為頂電池,而底層以CIGS銅銦鎵硒作為底電池。透過改善疊層電池中的運輸上電極(transport top electrode)、互連層(interconnecting layer, ICL)及電洞傳輸層(hole-transporting layer, HTL),在無需調整CIGS器件結構情況下,也就是說,保留其TCO透明導電氧化層:i-ZnO和硼摻雜氧化鋅(Boron-doped ZnO, BZO)層,成功制備出高轉換效率的鈣鈦礦/銅銦鎵硒(CIGS)單片疊層太陽能電池。

加了1微米鈣鈦礦疊層,效率再提升3.73%
此器件結構是以半透明且帶隙寬度為1.59 eV的鈣鈦礦作為第一層子電池;以帶隙寬度為1.00 eV的CIGS作為第二層子電池。CIGS基層厚度大約2微米(或千分之二毫米),吸收太陽光後,轉換效率約18.7 %;然而再增加1微米厚的鈣鈦礦層可再提高效率,就像是汽車添加渦輪增壓器可改善驅動性能一樣,大幅提升轉換效率,而整體的器件設置在厚度2毫米的玻璃基板上。
研究人員在CIGS表面進行納米尺度的界面結構設計,並利用高度參雜的PTAA作為子電池間的電洞傳輸層,以此來保留開路電壓和增強填充因子和短路電流,以提升輸出功率。此器件已由NREL認證,整體的能量轉換效率(power conversion efficiency, PCE)高達22.43 %,且在未封裝、1-sun幅照條件下,經由500小時老化測試後,效率還能保持在初始效率的88 %。(此類型電池,最近一次的紀錄是由IBM研究院Thomas J. Watson研究中心於2015年發表的10.9 %轉換效率)

在CIGS表面進行化學機械研磨處理(chemical mechanical polishing, CMP)後對CIGS性能的影響

上圖:在CIGS表面進行化學機械研磨處理(chemical mechanical polishing, CMP)後對CIGS性能的影響

鈣鈦礦/CIGS疊層電池性能與採用QE-R測量EQE
運用光焱科技Enli Tech QE-R鈣鈦礦電池量子效率測量系統,測出鈣鈦礦子電池和CIGS子電池的EQE。

鈣鈦礦/CIGS疊層電池性能與採用QE-R測量EQE

雙層疊層技術,可達30%能量轉換效率
楊陽教授說明:通過此疊層結構的設計,在同一個器件區域內,能在兩個不同的太陽光譜範圍內吸收能量;此結構與單層的CIGS結構相比,可提升太陽光的能量轉換。此外,噴塗鈣鈦礦層的技術,不僅成本低廉且能容易地與現有的太陽能電池制備工藝結合。此技術使現有的CIGS太陽能電池的性能提升將近20 %,這也意味著能源成本降低了20 %!此外,楊陽教授強調,運用雙層疊層電池制備技術,有望達到30 %的能量轉換效率,這將是我們研究小組的下一個目標!

本次研究獲得美國國家科學基金會(the National Science Foundation)和美國空軍研究實驗室(the Air Force Office of Scientific Research)。多年來,楊陽教授和Yang Yang Lab研究團隊致力於疊層太陽能電池研究,擁有不少享譽國際的研究成果,其中包含可應用於玻璃窗的透明疊層太陽能電池。

論文原文:High-performance perovskite/Cu(In,Ga)Se2 monolithic tandem solar cells
Qifeng Han, Yao-Tsung Hsieh, Lei Meng, Jyh-Lih Wu, Pengyu Sun, En-Ping Yao, Sheng-Yung Chang, Sang-Hoon Bae, Takuya Kato, Veronica Bermudez, Yang Yang 
Science31 Aug 2018; Vol. 361, Issue 6405, pp. 904-908; DOI: 10.1126/science.aat5055
(共同通訊作者:楊陽教授、Qifeng Han;共同第一作者:Qifeng Han、Yao-Tsung Hsieh和Lei Meng

參考資料:Matthew Chin | August 30, 2018. Dual-layer solar cell developed at UCLA sets record for efficiently generating power. (UCLA NEWROOM)

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