何凤琴 马昀锋 王冬冬 李得银 常纪鹏

（黄河水电光伏产业技术有限公司 青海省西宁市 810007）

1 引言

Shockley-Queisser 限制理论指出单节太阳能电池的转化效率最高只能达到30%，目前只有多节太阳能电池可以突破Shockley-Queisser 限制理论[2]。在多节太阳能电池中，两个或多个禁带宽度不同的电池串联在一起。一般来说，位于顶部的电池的禁带宽度较大，底部的电池禁带宽度较小。假设顶电池的禁带宽度是Egtop，则能量大于Egtop的光子被顶电池吸收，能量小于Egtop的光子被底电池吸收。由于高质量，低成本的特点，硅太阳能电池可以用作底电池。近几年钙钛矿电池的转化效率可以达到22.1%，可以用作顶电池[3,4]。

2 器件结构及参数

图1和图2分别是正向结构的串联电池和反向结构的串联电池。在图1的正向结构串联电池中，上面的钙钛矿电池分别由减反射层（LiF），前接触（ITO），缓冲层（MoO3），空穴传输层（spiro-OM），钙钛矿吸收层（perovskite），电子传输层（TiO2）和ITO 连接层组成，下面的硅电池由p+a-Si:H，i a-Si:H，c-Si，i a-Si:H，n+a-Si:H和Ag 电极组成。

在图2的反向结构串联电池中，上面的钙钛矿电池由减反射层（LiF），前接触（ITO），缓冲层（SnO2），电子传输层（PCBM），钙钛矿吸收层（perovskite），空穴传输层（NiO），和ITO 连接层组成，下面的硅电池由n+a-Si:H，i a-Si:H，c-Si，i a-Si:H，p+a-Si:H和Ag 电极组成。

各材料参数由文献获得：perovskite[5],TiO2[5],spiro-OM[6,7],a-Si:H[7],c-Si[7],PCBM[8],NiO[8]。

3 结果分析和讨论

3.1 不同结构串联电池转化效率差别

如图3所示，正向结构串联电池短路电流是17.2mA/cm2，转化效率是27.8%，反向结构串联电池短路电流是19 mA/cm2，转化效率是31.65%，所以反向结构电池短路电流提高1.8 mA/cm2，转化效率提高3.85%。下面我们从两个方面来讨论出现这种结果的原因。

3.1.1 各材料层光子吸收比例

图4和图5分别表示反向结构和正向结构串联电池各层不同的材料吸收光子的比例。由图4和图5可以看出两种串联电池中钙钛矿层和硅吸收层对光的吸收最大，且钙钛矿层主要吸收波长为350nm～700nm 的光子，硅吸收层主要吸收波长为700nm～1000nm的光子。在反向结构中除了钙钛矿吸收层和硅吸收层，其它层对光的吸收很小，寄生吸收可以忽略不计，而在正向结构中情况却不同，当光的波长为350nm～580nm 时spiro-OM 对光的吸收较大，寄生吸收较大，导致正向结构的短路电流和转化效率降低。

图1：正向结构串联电池

图2：反向结构串联电池

图3：串联电池I-V

3.1.2 各材料层光电场

下面从光电场的角度来分析反向结构串联电池比正向结构串联电池短路电流和转化效率更高的原因。对于光电场分布，本文采用传输矩阵法(TMM)作为光学模型，表达式如下所示：

图4：反向结构串联电池不同波长下各材料吸收光子的比例

图5：正向结构串联电池不同波长下各材料吸收光子的比例

其中，c、λ、ε0分别为真空中的光速、入射光波长和介电常数；n 和k 分别是各层材料复折射率的实部和虚部，h 为普朗克常量，|E(X)|2为光电场，Q(x,λ)为单位时间单位面积所吸收的能量。G(x)为载流子产生速率。在正向结构电池中spiro-OM 厚度较大且光电场较强，峰值可以达到1.13；在反向结构中，PCBM 和NiO 厚度较小且光电场较弱。所以spiro-OM 对光子吸收较大，而PCBM和NiO 对光子吸收较小。所以在正向结构中有相当一部分光子被spiro-OM 吸收，使得钙钛矿层吸收的光子减少，从而使得正向结构短路电流降低，转化效率减小。

3.2 两种结构串联电池HTM层掺杂浓度影响

在正向结构中随掺杂浓度增加，由于载流子复合增加，当掺杂浓度达到5×1017时短路电流开始下降。IL表示光生电流，Is是反向饱和电流，光照不变所以IL不变，由于随掺杂浓度增高，接触势垒增高，导致Is减小，所以开路电压增大。掺杂浓度增大使得电阻率减小，所以填充因子增大，并且可以看出在掺杂浓度为1×1017时转化效率最高，可以达到27.8%。在反向结构中，NiO 掺杂浓度增加，短路电流和开路电压基本不变，填充因子略微增加。

4 结论

本文中我们通过仿真计算，讨论了正向结构钙钛矿-硅串联电池和反向结构钙钛矿-硅串联电池性能的差别和顶电池HTM 层掺杂对器件的影响。由前面分析可以看出，反向结构串联电池的短路电流和转化效率优于正向结构串联电池，主要由于正向结构中spiro-OM 厚度较大，导致寄生吸收较大，所以短路电流和转化效率较小。同时我们可以看出，对于正向结构来说，spiro-OM 作为HTM 层，掺杂浓度为1×1017时转化效率最高，而反向结构中NiO作为HTM 层，掺杂浓度对器件影响较小。