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“理工振兴”学术动态:物理学院光伏技术团队在光伏电池钝化新技术开发与应用方面取得系列进展

2023-04-10

光伏新能源是国家战略性新型产业,在我国已形成了巨大的产业规模。硅光伏电池是光伏新能源的主流技术,占据光伏市场97%的份额。但硅光伏电池两大核心技术—“载流子选择接触”和“界面缺陷钝化”均涉及高温或高真空重型装备,成本难以进一步降低,亟需开发更低成本的新型光伏器件及钝化新技术以支撑光伏产业转型升级。

物理学院光伏技术陈剑辉团队在大量探索和研究的基础上,发现了光伏领域不同于传统场效应钝化和化学钝化的第三种钝化机理—“电化学钝化”并发展出了一种全新的低成本光伏电池钝化技术,该技术为解决当前光伏产业化痛点问题和开发新型光伏器件提供了新的思路和途径。近期,该团队在电化学钝化技术应用方面取得系列进展。

(1)化合物半导体铜铟镓硒太阳电池钝化

铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池具有高效稳定、弱光响应好及可柔性化等特点,在光伏建筑一体化(BIPV)等领域具有广泛应用。但CIGS多晶化合物薄膜由于存在大量晶界和体缺陷,影响了其器件性能。该研究团队首次发现利用电化学钝化可有效处理CIGS表/界面和晶界深缺陷,使电池转化效率提升4%以上,为多晶化合物太阳电池(CIGS,CZTS,Sb2Se3,CdTe等太阳电池)的界面和缺陷钝化提供了一条新途径。该工作发表在Research(2023,DOI: 10.34133/research.0084,IF=11.036)和Advanced Materials Interfaces (2022, 2202171, IF=6.389),并入选Wiley-VCH数据库“Hot Topic: Solar Cells”热点主题研究论文。

图1电化学钝化CIGS的示意图

(2)碳纳米管/硅太阳电池同类器件最高转化效率和器件新设计

碳纳米管/硅(CNT/Si) 1D/3D结太阳电池由于缺乏匹配的1D/3D界面钝化技术导致器件效率不足18%,距离产业化电池性能(效率>23%)相去甚远。该研究团队利用电化学钝化技术对碳纳米管/硅1D/3D界面进行处理,将电池效率提高到>23%,突破了CNT/Si新型太阳电池效率瓶颈。同时,完成了光伏领域最先进的叉指背接触(IBC)结构新设计,提出CNT-IBC的新结构设计。相关工作发表在SmallStructure (2023, 2200375, IF=11.343)、Carbon (2023, 202, 432, IF=11.307)等期刊上,前期部分应用成果获河北省科学技术进步二等奖1项(2022)。

图2CNT-IBC太阳电池的结构示意图和照片

(3)解决黑硅钝化难题,揭示深缺陷钝化与逆俄歇效应的内在关联机制

黑硅因其较高的光吸收特性是理想的光伏材料,然而黑硅的纳米结构使其钝化成为世界性难题。该团队利用电化学钝化的液相渗透能力有效钝化了产业化黑硅纳米阵列的深缺陷(少子寿命> 2 ms),揭示了电化学钝化与逆俄歇效应的内在关联机制,观察到了峰值EQE=129%的逆俄歇反常光伏效应,提供了一种成本低廉、可规模化操作的黑硅钝化路线,给出了光伏器件突破S-Q理论限制的新思路。相关工作发表在Small (2022, 2205848,IF=15.153)并入选Wiley-VCH数据库“Hot Topic: Solar Cells”热点主题研究论文。

图3黑硅的电化学钝化和逆俄歇效应

(4)组件端电池片切口复合钝化液修复技术

针对切割产生的缺陷复合导致高效电池效率损失这一当前光伏产业痛点问题。该研究团队开发了钝化液修复技术,获得了最高98%的性能修复率,并以365在线体育牵头编制了光伏行业团体标准(《晶体硅光伏电池切割分片效率损失测试方法》)。在此基础上,成功开发出钝化笔、电化学钝化设备、高效电池增效切割等成套装备技术及其工艺,目前已申请专利12项(获授权5项),形成了自主知识产权。这些工作为产业界高效光伏电池片切割损失的修复和叠瓦组件的发展提供了一个钝化液修复的新思路,具有重要的产业化应用意义。部分工作发表在AdvancedEnergyand Sustainability Research (2022, 2200154)。

图4团队自主研发的钝化笔和电化学钝化设备

以上工作得到国家自然科学基金、河北省自然科学杰出青年基金项目、河北省“三三三”人才工程项目、生命科学与绿色发展学科群项目,光学工程学科建设项目等经费的资助。先进钝化技术课题组(https://www.x-mol.com/groups/chen_jianhui),团队成员:陈剑辉、张旭宁、陈静伟、高青、陈兵兵、杨德华。

相关连接:

[1]https://doi.org/10.1002/smll.202205848

[2]https://doi.org/10.34133/research.0084

[3]https://doi.org/10.1002/admi.202202171

[4]https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.11.020

[5]https://doi.org/10.1002/sstr.202200375

[6]https://doi.org/10.1002/solr.202200743

[7]https://doi.org/10.1002/admi.202201221

[8]https://doi.org/10.1002/aesr.202200154

[9]光伏行业团体标准http://www.chinapv.org.cn/standard_dynamics/1065.html

(物理学院、科学技术处供稿)