一文尽析钙钛矿—晶硅叠层电池关键技术：叠层界面工艺

钙钛矿-晶硅叠层电池(perovskite/c-Si tandem solar cell)，作为光伏学界第一当红炸子鸡钙钛矿电池，和光伏产业界绝对老大哥晶硅电池互蹭热点的产物，一旦来电，自然是火花四溢。卖点太多：用晶硅打底保证靠谱，钙钛矿做彩头性价比高，结合以后更是1+1>2，效率有望过30%，实在是吸睛。钙钛矿-晶硅叠层电池在学界热了很多年，今年终于有消息越界试水了。居然有厂商号称推出了交钥匙解决方案。不管靠谱不靠谱，兔子已经按耐不住，跳进来要凑凑热闹。今天就来详尽讨论一下兔子认为的钙钛矿-晶硅叠层电池最关键的技术：叠层界面工艺。纯属抛砖引玉，如有不赞同的，将就这块砖头，拍回来就是了。

叠层界面

任何双端叠层电池的界面，都是要命的所在。(双端vs四端之争，兔子留作以后讨论。)一般来说，在叠层电池制备的过程中，总是先拿一个做好的电池作为衬底，把另外一个电池长在上面。就是这“长”字，麻烦就大了。

晶格匹配

如果是III-V族电池体系，不管是MOCVD还是MBE，上层的电池都需要和下层的电池晶格匹配，否则就会长歪。为了解决这个问题，要不就要选择晶格不会失配的材料，要不就要加上一个组分渐变的缓冲层，这样既增加了成本，还降低了效率。

界面复合层

所幸多晶的钙钛矿电池并不存在晶格匹配的问题，但是其他的界面问题也很要命。所谓双端叠层电池，只是说叠层电池最终引出的电极只有正负两极，实质上总共还是四端的，因为每一个子电池必然有N和P两端。只是说作为串联的结构，顶电池的下端和底电池的上端在内部是连在一起的，你可以理解为一根导线把它们串在了一起。但显然作为“单片(monolithic)”制备的叠层电池，导线是不可行的。必须要引入所谓的“复合层(recombination layer)”。

兔子必须要请大家留意，此处的复合不是指子电池内部少数载流子的复合，而是一个子电池的多子和另一个子电池极性相反的多子复合，就像是用导线把他们连起来一样。用得比较多的是透明导电膜，比如斯坦福研究组去年创纪录的23.6%效率的工作(2017，Bush，Nature Energy)用的就是ITO，贵一点，吸光稍微多一点，但是性能比较稳定。

(2017，Bush，Nature Energy)

也有人从微晶-非晶薄膜找到灵感，用反向的重掺硅做隧穿结层的，比如MIT研究组的工作(2015，Mailoa，APL)。所谓各有各的绝活。

(2015，Mailoa，APL)

最近更有UNSW的学者另辟蹊径，干脆这层界面层也给省了算了，找到一种材料SnO2，既能作为钙钛矿层的电子传导层，又能作为底层晶硅电池的复合接触层。钱省了效果还很好。只需要把晶硅电池的发射极方阻调一调，即可实现完美的整流接触(2018，Zheng，EES)。

(2018，Zheng，EES)

然而无论如何，制绒的界面才是王道，毕竟钙钛矿-晶硅叠层电池的痛点和瓶颈在电流。只有金字塔绒面的陷光效果才好，才能提升电流。更何况，如果晶硅和钙钛矿接触的表面还需要抛光的话，这成本就好说不好听了，那产业化前景实在堪忧。道理谁都懂，可惜谁都做不出来。为什么呢?两大难题：第一是一旦晶硅制绒，表面就变得坑坑洼洼，再往上涂的钙钛矿材料，基本上都会掉进金字塔的底部，而金字塔尖则是光秃秃的，这轻则少子复合巨大，重则钙钛矿顶电极和晶硅顶部直接接触，直接就没钙钛矿电池什么事了。第二，即使不会完全掉进坑里，但是只要钙钛矿成膜稍有不均匀，就会把钙钛矿电池给分流(shunt)，严重影响开压和填充因子。这两大难题，不知道困扰了多少才智之士。

瑞士EPFL的Ballif组今年终于找到了解决的办法(2018，Sahli，Nature Materials)。诀窍之一是物理沉积+溶液涂层的结合。物理蒸发的薄膜一定是指哪打哪儿，无论什么表面都贴的严严实实的，显然不会有溶液涂层那种受重力作用就会掉到坑里的问题。但是钙钛矿里面的有机卤化物成分又需要溶液旋涂。怎么办呢?这个研究组先用共蒸发的办法把“孔状”碘化铅框架镀到金字塔上，再往上面甩有机卤化物溶液。这些孔就会像海绵一样把有机卤化物均匀的吸到他们应该在的地方。再一烧结，均匀成膜!

(2018，Sahli，Nature Materials)

诀窍之二是用纳米晶硅取代ITO做钙钛矿-晶硅的界面复合层。此处不得不八卦两句。当年微晶/非晶硅叠层电池界第一大牛Ballif，不以物喜不以己悲，没有静静的跟着微晶/非晶薄膜电池一起衰败，而是转手把一套非晶硅薄膜的诀窍刷到HIT电池上，成为HIT的一方豪强;如今又把这纳米晶硅薄膜的诀窍用到了叠层上，直接玩出了25.2%叠层记录的新高度!这也算是冥冥天意，峰回路转不由人!为什么纳米晶硅复合层这么神奇?

说起来有点反直觉，正是因为它晶粒太小，横向导电性太差!为什么横向导电性差反而是好事?因为如果横向导电性好了，在金字塔织构的情况下，一旦钙钛矿成膜不均匀，就有分流shunt的危险，那就没开压什么事了，没填充因子什么事了，也就没钙钛矿子电池什么事了。但是另一方面，纳米晶硅薄膜的纵向导电性又很好，因为整个膜厚也就差不多一个晶粒厚度的样子。这就是纳米晶的神奇之处，换成微晶、非晶都不行。

(2018，Sahli，Nature Materials)

兔子把双端钙钛矿-晶硅叠层电池关键的界面工艺为大家梳理了一下。离产业化有多远?大家仁者见仁智者见智。至少在兔子看来，一些关键的技术瓶颈已经有了解决的方案。

至于双端还是四端还是三端叠层?有机会有兴趣的话我们下文再分解。