成果介绍

“双碳”目标是我国作出的重大战略决策，发展清洁低成本的太阳能光伏发电，是实现这一战略目标的重要途径与技术保障。现有的晶硅太阳能电池已实现大规模的应用，但其光电转换效率日趋产业化极限效率；光伏发电的成本与电池效率密切关联，效率每提升1%绝对值，发电成本可降低7%。因此，发展更高效率的新型光伏技术，突破传统晶硅电池的极限效率，进一步降低光伏发电成本，就成为实现“双碳”目标的关键研究课题。

在晶硅等单结太阳电池中，效率主要受到带隙以上能量光子热损失，以及带隙以下能量光子不能吸收的限制。构建叠层太阳电池，将宽带隙电池与窄带隙电池进行叠加，使得短波长和长波长的太阳光谱都被最大化利用，可以有效降低上述损耗，大幅提高电池效率，双结叠层电池的理论效率可达45%，远高于单结电池的S-Q极限效率33%。

叠层太阳电池是由两个或多个吸收光谱互补的子电池以一定方式堆叠在一起而形成的一种光伏器件，通过宽带隙子电池吸收高能光子，窄带隙子电池吸收低能光子来提高太阳光谱利用率。

创新亮点

钙钛矿/晶硅叠层电池由宽带隙钙钛矿顶电池、窄带隙晶硅底电池和隧穿层三部分构成。本单位围绕钙钛矿/晶硅叠层电池的设计与制备展开了深入研究，通过对顶电池吸光层与功能层以及晶硅异质结底电池进行材料选择、结构设计以及工艺优化与集成研究，开发出高效钙钛矿/晶硅叠层电池制备技术。技术创新亮点如下：

（1）提出了在反溶剂中添加特定钝化剂的钙钛矿层钝化方法，获得了表面均匀无针孔的钙钛矿薄膜，晶体缺陷减少对钙钛矿顶电池来说，作为吸光层的钙钛矿薄膜至关重要，而高质量钙钛矿薄膜的获得与材料设计、结晶控制、成膜工艺以及钝化处理等多种因素有关。在钝化处理中，通过添加剂来抑制电池中的缺陷是一种常见的策略，可以改善钙钛矿材料的稳定性和提高器件性能，在实现高效钙钛矿中起重要作用。本单位采用新颖的添加剂钝化方法，在薄膜制备过程的反溶剂中添加特定钝化剂，制备出的钙钛矿薄膜均匀无针孔，且PL强度大大提高，晶体缺陷减少，最终器件的开路电压和转换效率得到大幅度提高。

（2）设计了由NiOx/PolyTPD/PFNBr构成的复合型空穴传输结构，提高了浸润性和器件良率；优化了空穴传输结构的低温制备工艺，解决与底电池兼容的问题，提高了叠层电池效率，钙钛矿顶电池中，空穴传输层对载流子提取和传输及抑制载流子复合起着关键作用，是电池的重要组成部分。常用于反式钙钛矿电池的空穴材料有NiOx、PTAA和Poly-TPD等，但单独NiOx作为空穴传输层时，会因与钙钛矿直接接触发生氧化还原反应，而导致界面复合严重，器件性能下降；单独PTAA作为空穴传输层时，器件存活率低、效率低；而单独Poly-TPD作为空穴传输层则存在表面接触角较大，导致钙钛矿溶液无法铺展的问题。针对上述单一空穴传输层的问题，通过设计由NiOx/PolyTPD/PFNBr构成的三重复合型空穴传输结构，以PolyTPD充当主要空穴传输层，同时以NiOx打底、PFNBr提供浸润性修饰，不仅使器件存活率得到提高，表面浸润性的改善也使其上沉积的钙钛矿成膜质量明显提升。在空穴传输结构的制备方面，通过对不同制备方法的尝试以及制备工艺的优化，摸索出与晶硅底电池相兼容的低温工艺方案，提高了叠层电池转换效率。

（3）开发了与顶电池实验室制备相匹配的晶体硅片表面处理工艺，硅片形貌满足高效叠层器件的制备要求，为降低表面光反射损失，常规晶硅电池表面具有粗糙的绒面结构，金字塔尺寸通常在数微米以上，在叠层电池中这样的底电池形貌会影响叠加其上的钙钛矿顶电池的制备和效果。由于实验室中钙钛矿层通常采用溶液法制备，若底电池表面为粗糙的金字塔，则钙钛矿的制备难度增大、薄膜覆盖效果也将变差。针对这一问题，该成果对硅片表面处理工艺进行设计优化，开发出与顶电池制备需求相匹配的硅片处理工艺，在硅片背表面结构保持不变的情况下使其上表面粗糙度降低，处理后的形貌符合叠层电池实验室制备的要求，有利于实验室高效叠层电池的获得。此外，该处理工艺中的主要步骤采用了现有工业硅工艺中的成熟方法，经测试验证，处理工艺成熟可靠，具有产业化应用价值。

应用场景

作为晶硅电池的升级，钙钛矿/晶硅叠层电池适用于主流光伏电站场景，主要包括：（1）以“光伏+”模式直接向社会提供清洁电力，可以将光伏发电融合于工业、农业、渔业、牧业等行业中，也可以融入沙漠、荒漠、戈壁等生态治理中；（2）光伏建筑一体化：将光伏组件与建筑材料相结合，使大型建筑实现电力自给，是光伏领域一大发展方向；（3）光伏制氢：以清洁能源生产清洁能源，为能源结构调整提供一条可靠途径；（4）车载电源：光电转换效率极高的叠层电池可集成于新能源汽车顶部，在有限面积内有效提升汽车续航里程。

市场前景

据国家发改委能源研究所预测，到2025年，国内光伏总装机规模将达到730GW（相当于2020年底的2.9倍，年均新增装机120GW），占全国总装机的24%，全年发电量占全社会用电量的9%。自”十五五”规划起，国内光伏市场增速进一步加快，光伏的年新增装机将超过其他电源类型，2030年国内光伏总装机规模将成为所有电源类型的第一位，2035年光伏发电量成为所有电源类型的第一位，届时光伏总装机规模达到3000GW（相当于2020年底的11.9倍，年均新增装机220GW），占全国总装机的49%，全年发电量将占当年全社会用电量的28%。到2050年，作为中国的第一大电源，光伏发电总装机规模将达到5000GW（相当于2020年底的19.8倍），占全国总装机的59%，全年发电量约占当年全社会用电量的39%，光伏占据全国电力装机容量的半壁江山。依托晶硅光伏成熟的产业优势，假设到2035年钙钛矿/晶硅异质结叠层技术占据1%的光伏市场份额，即年均新增装机不低于2GW，拥有高效低成本竞争优势的叠层技术未来前景可期。

效益分析

由于具有更低的温度系数、最高的转换效率以及低能耗等优势，叠层产品可为应用端带来更高发电量和更低碳足迹，从而实现更低度电成本。具体来说，高压低流的叠层电池其本身的电学属性有望使组件的发热损失大幅减小，而且考虑叠层对系统BOS成本的影响，效率>30%的大面积钙钛矿/晶硅叠层电池（按5%效率增益计），有望使度电成本下降15-20%。另外，2022-2023年，欧盟碳交易市场中二氧化碳最高的价格达到80-100欧元/吨，每发一度电相当于增加7-8欧分碳减排价值。当前光伏产业逐年新增市场规模接近万亿级别，因此低碳、低度电成本的叠层技术将可产生巨大的社会、经济及环境效益。