钙钛矿太阳能电池面临的挑战和低温导电银浆的应用

近年来，全球各地的实验室在钙钛矿电池研发方面都取得了重大进展。钙钛矿单结电池的转换效率已超过20%。2018年6月，牛津光伏（Oxford PV）公司成功开发出效率高达27.3%的钙钛矿/硅基双结叠层电池，首次打破了单结晶硅电池26.6%的世界纪录。
钙钛矿是一种前景非常广阔的吸收体材料。它们属于直接带隙半导体，因此其作为太阳能电池的吸收体材料时，厚度只需达到1 µm即可。禁带宽度的调整范围为1.5 eV左右至1.7 eV以上。而且，即便采用低成本沉积技术，也能实现出色的复合特性。其开路电压也正在逐步逼近肖克利-奎伊瑟极限。
钙钛矿太阳能电池在短时间内就能取得如此惊人的进展，着实令人印象深刻，但钙钛矿/硅基双结叠层电池在实现量产之前，还需要克服不少难关。
挑战1
最大的挑战就是如何确保钙钛矿电池的长期稳定性。标准组件可以在恶劣的户外气候条件下耐受25-30年，而钙钛矿在几分钟之内便会退化。不过，这方面目前也已取得显著进展：钙钛矿/硅基双结叠层电池与双玻组件技术相结合，可以通过DH1000或TC200试验。目前，研发人员正在努力提高钙钛矿/硅基双结叠层电池抵抗紫外线辐射、湿气、高温和氧气的能力。
挑战2
第二项挑战在于要将不足1cm²的实验室级电池提升到正常硅片大小。这需要进行大量的工程设计，不过可以借助晶硅电池、薄膜电池及蓄电池生产中成熟的沉积技术，因此该项挑战不至于成为根本性障碍。
挑战3
钙钛矿通常含有铅、铯等剧毒元素。目前，这一点不会影响其在光伏组件中的使用，因为晶硅电池组件的焊带和金属化浆料中也含有铅。不过，未来新的法规也许会限制光伏组件使用有毒材料。如有需要，浆料和焊带中的铅可以轻而易举地找到替代品。但铅是构成钙钛矿的主要元素之一，目前还无法被取代。
钙钛矿/硅基双结叠层电池及组件结构
原则上来说，双结叠层电池组件有两种设计方法。一种方法是采用集成一体化结构：将底电池和顶电池集成在同一个电池片，再按照标准晶硅电池的工艺将双结叠层电池连接起来，形成电池组件。另一种方法是将顶电池和底电池分开，制成两个组件，然后再串联叠放并封装在一起。底电池组件的敷设多多少少有标准可循。顶电池组件可采用薄膜叠瓦技术。这种方法的优点在于顶电池和底电池之间不需要电流匹配，缺点在于接触和电池连接的工作量翻倍。
善仁新材认为，在协同效应、成本和生产良率方面，第一种方法的前景更加光明。此外，就目前的生产技术而言，这种方法所需要的改动也少得多。因此，我们将重点关注一体化双端叠层电池。
底电池
底电池可以采用P型硅片或N型硅片。虽然大多数实验室项目都采用N型异质结电池，但P型电池其实也是可行的。其中，顶电池和底电池的极性需要相匹配，这一点至关重要。在集成一体化型电池结构中，顶电池通常采用“反型”结构，将P层作为底层。这意味着底电池也需要将P接触层作为底层，这一点可以通过背结N型电池或常规的P型电池来实现。
不论是N型电池还是P型电池，都需要在顶电池形成隧穿结以及一层（导电）光学层。底电池正面无需镀减反射膜，也无需金属化。由于底电池不导电，因此不适合采用标准氮化硅正面钝化工艺，可以选择晶硅/氧化铟锡（a-Si/ITO）异质结技术，或选择带ITO覆盖层的多晶硅钝化接触作为光学元件。
目前，钙钛矿沉积工艺还不适用于制绒表面，因此底电池的正面需要进行抛光。不过，只要背面是制绒表面，正面抛光只会造成些微损耗。
顶电池
顶电池通常采用反型结构，第一层为空穴传输层（HTL），可采用善仁新材的PEDOT:PSS。空穴传输层必须足够薄，以防止红外寄生吸收。
钙钛矿吸收体层的禁带宽度可调整至1.55-1.6 eV，以便用于双面电池。许多论文特别关注如何提高钙钛矿的禁带宽度，使其达到1.7-1.8 eV，并且设法解决宽禁带材料的潜在损耗较高这一问题。机缘巧合的是，在确定与双面电池相匹配的电流时，恰好可以选用最合适的钙钛矿种类。
对于电子传输层（ETL）来说，PCBM聚合物是一个不错的选择，其次是用于横向导电并作为减反射膜的ITO层。
金属化和电池连接
钙钛矿只能承受130-150 °C的温度，因此无法采用温度高达900 °C左右的标准烧结工艺，而必须用低温银浆取代标准银浆或铝浆。善仁新材可根据烧结温度和烧结时间的具体要求为客户提供定制浆料。
如果采用PERC电池作为底电池，那么目前还没有合适的低温铝浆。晶硅和铝的共晶温度为577 °C，要在低于这个温度的情况下形成局部背场可能比较困难。因此，背面金属化必须在顶电池沉积之前完成印刷和烧结。不过，这种无法保证清洁度的金属化工艺（含粉尘及有机残留物）可能会对后续工艺及顶电池的质量产生不利影响。此外，还可以选择涂覆背银栅线，该工艺目前在双面异质结技术和隧穿氧化层钝化接触（TopCon）技术中均有使用。
在任何情况下，正面（和背面）的低温银栅线的电阻率均高于标准银栅线。因此，虽然电流减半，但建议选择多主栅（MBB）结构来降低串联电阻，减少银浆用量。多栅线连接和低温焊锡涂层有可能成为电池连接工艺的理想选择。此外，也可以考虑采用导电胶的叠瓦技术。善仁新材可根据固化温度的具体要求为客户提供定制导电胶。由于电流只有5A左右，半片电池组件很可能没有明显优势。
封装相对来说，钙钛矿对湿度等环境因素更加敏感，因此优选双玻组件。考虑到近期1.5-2 mm玻璃取得的技术进步，对于任何双面组件来说，双玻结构都是优选解决方案。根据我们的计算，无框双玻组件的生产成本已经低于标准有框玻璃背板组件。
系统每块组件的电压提高了一倍以上;每片电池的开路电压从700 mV左右提高到1800 mV左右。如果将60片电池串联形成组件，总开路电压将达到108 V。因此，电池串长度必须大幅缩减，使电压处于1000 V或1500 V以下。若要解决这一问题，可以将多个子串并联（例如类似基于半片电池的组件设计），或采用组件级直流优化器或微型逆变器。
成本技术可行性解决之后，下一个问题自然是双结叠层电池技术在经济上可行吗？比较双面PERC单结电池与上述双结叠层电池的生产成本，可以发现双结叠层电池的效率需高出约4-5%（绝对值），其组件生产成本才会与双面PERC单结电池持平。

这要求顶电池的效率达到20%左右。由于光伏平衡系统（BOS）带来的额外成本，从系统层面来看，每瓦组件价格会随着组件效率的提高而上涨。图10显示了当组件效率提升时，为保持光伏系统成本不变，组件价格的上涨空间。根据不同的BOS成本，组件效率每提高1%（绝对值），组件价格可提高约0.01欧元/瓦。
因此，双结叠层电池所需要的效率增益可以更低：只需要2-3%（绝对值）即可，不用达到5%（绝对值）。这样，组件生产成本只增加不到0.02欧元/瓦，而且可以转嫁到组件价格上。
结论
钙钛矿太阳能电池如今已成为双结叠层电池的可行解决方案，可搭配晶硅底电池，并且在全球各地的多家实验室内都取得了良好的试验成果。未来几年内，有望开发出转换效率比单结晶硅电池高出2-3%（绝对值）的双结叠层电池。钙钛矿双结叠层电池在经济性方面也颇具吸引力。目前最大的挑战依然是钙钛矿电池缺乏长期稳定性。
主流晶硅电池与组件技术的发展也令钙钛矿双结叠层电池受益匪浅，如多主栅连接和双玻双面组件。要将钙钛矿顶电池直接叠加在PERC底电池上似乎颇具挑战性，不过可以选择异质结电池或TopCon电池作为底电池，从而进一步推动未来电池技术的发展。