背電極材料、結構以及厚度等影響鈣鈦礦太陽能電池性能的研究*

王劍濤 肖文波? 夏情感 吳華明 李璠 黃樂

1) (南昌航空大學,無損檢測技術教育部重點實驗室,南昌 330063)

2) (江西省光電檢測技術工程實驗室,南昌 330063)

3) (南昌大學材料科學與工程學院,南昌 330031)

4) (廣東工業大學材料與能源學院,廣州 450001)

背電極是影響鈣鈦礦太陽電池性能的一個重要因素.本文采用COMSOL 軟件仿真研究了背電極材料、結構、厚度對電池性能的影響規律.發現相對于背電極金屬的功函數,其阻值對電池性能影響小.背電極結構除了阻值會影響電池性能,還存在影響電池性能的其他因素.蜂窩結構背電極中,考慮制作難易程度的情況下,圓形半徑約等于邊緣間距時性價比最高.預測背電極中每增加10%的孔隙,電池性能大約提升5%.背電極阻值隨著厚度的增加而減小,考慮工藝、成本等因素的前提下,最佳的厚度應在100—150 nm 之間.

1 引言

影響鈣鈦礦太陽能電池效率的因素有很多,如器件結構[1]、界面屬性[2,3]等.這些因素無一例外都會反映電池的光電轉換效率(photoelectric conversion efficiency,PCE)[4]、串聯電阻(series resistance,Rs)[5]、填充因子(fill factor,FF)[6]等變化.電池背電極[7,8]作為鈣鈦礦太陽能電池的重要部分,其阻值在串聯電阻中占據了很大的比例.背電極阻值由材料的種類(例如鉑Pt[9]、金Au[10]、炭基的復合材料[11])、結構[12](例如仿生蛾眼納米結構背電極[13]、準交指式背電極[14])等耦合在一起決定,其反映了電池的性能,目前仍然有較大的優化空間[15,16].

為此,本文從背電極材料選取、結構設計及厚度優化出發,采用COMSOL 軟件仿真研究了鈣鈦礦太陽能電池背電極電阻的變化,并與實驗結果對比,分析得出優化的背電極屬性.

2 模型構建與驗證

COMSOL 軟件廣泛用于鈣鈦礦太陽能電池的理論研究[17?19].上海大學車俐佳等[20]仿真與實驗研究了鈣鈦礦太陽能電池的背電極特征.為此,本文采用COMSOL 中AC/DC 模塊重復文獻中八邊形結構的銀(Ag)背電極,并將得到的仿真電阻數據與文獻結果進行對比,驗證仿真結果.

圖1(a)和圖1(b)是文獻[20](圖1(a))及本文(圖1(b))構建的背電極結構在COMSOL 中的網格剖分圖,圖1(c)是文獻與本文計算的背電極電阻-厚度變化趨勢.從圖1(c)可以看出,文獻中提取獲得的阻值與本文仿真所得阻值雖然在部分厚度上有所區別,但是總體符合很好.它們平均相對誤差小于0.6%,誤差基本可以忽略不記,并且變化趨勢兩者一致,由此驗證本文模型構建及計算是對的.

圖1 文獻(a)及本文(b)構建的背電極結構在COMSOL 中的網格剖分圖;(c)文獻與本文計算的背電極電阻-厚度變化趨勢圖Fig.1.The grid diagram of the back electrode structure constructed in literature (a) and this paper (b) in COMSOL;(c) back electrode resistance changing with its thickness.

3 背電極材料、結構、厚度的研究

3.1 背電極材料的影響

研究文獻[21]中厚度為150 nm 的鋁(Al)、錫(Sn)、Ag、鐵(Fe)、銅(Cu)、Au 6 種八邊形結構金屬背電極的阻值.圖2(a)和圖2(b)分別是6 種金屬背電極功函數、PCE 及其電阻.

圖2 6 種金屬的背電極功函數、電池轉換效率(a)及其電阻(b)Fig.2.Back electrode work function,cell conversion efficiency (a) and electrode resistance (b) of six metals.

由圖2 可知,上述6 種材料中Ag 的阻值是最小的,只有0.41881Ω,Au 和Al 則次之;而Sn 和Fe 的電阻阻值最大,遠大于其他材料的阻值.因此,若只考慮金屬材料自身電阻對鈣鈦礦太陽能電池的影響時,使用Ag 作為背電極材料制備的鈣鈦礦太陽能電池性能最好,而使用Sn 作為背電極材料制備的鈣鈦礦太陽能電池性能最差.將上面金屬電阻值分別和金屬材料功函數以及文獻中的PCE對比,發現金屬電阻小的其功函數和PCE 不一定大,而電阻大的其功函數和PCE 也不一定小.但可以看出金屬功函數與電池PCE 的大小成反比.由此可知,金屬材料的阻值對電池性能影響沒有功函數大.采用上述方法進一步研究了八邊形結構碳基背電極,電阻值為8596 Ω.盡管碳基背電極的阻值是Au 電極的數千倍,但其PCE 仍然可以超過10%[11].因此,背電極電阻值對電池效率的影響相對其他因素來說較小.此外,與文獻[21]中三種空穴傳輸層NiO,Cu2O,P3HT 下的鈣鈦礦電池PCE對比研究,發現三種空穴傳輸層下,金屬性質對電池PCE 影響規律一樣,即與金屬電阻值相比,金屬功函數對電池PCE 的影響更大.

3.2 背電極結構影響

3.2.1 蜂窩結構S-HQIDE 和L-HQIDE 背電極的比較

文獻[22]分別設計了兩種暴露面積的背電極結構:一種是暴露面積較小的蜂窩結構(S-HQIDE),它的背電極圓形直徑約為2.7 μm,邊緣間距約為1.3 μm.另一種是暴露面積較大的蜂窩結構(LHQIDE),它的圓形直徑約為8.0 μm,邊緣間距約為1.5 μm.圖3 是厚度2.5 μm 的S-HQIDE(圖3(a)和圖3(c))和L-HQIDE(圖3(b)和圖3(d))的結構以及仿真圖.

圖3 S-HQIDE (a、c)和L-HQIDE(b、d)的背電極結構以及仿真圖Fig.3.Back electrode structure and simulation diagram of S-HQIDE ((a),(c)) and L-HQIDE ((b),(d)).

由圖3 知S-HQIDE 結構的電阻為0.012249 Ω,而L-HQIDE 結構的電阻為0.017534 Ω.兩種結構電勢相似,都在水平方向上相等,在豎直方向上均勻下降直至為零.比較可知,L-HQIDE 結構的阻值約為S-HQIDE 結構的1.4 倍.若只考慮電阻的影響,則使用S-HQIDE 結構作為背電極的太陽能電池效率約為L-HQIDE 結構背電極效率的1.4 倍.實驗結果證明它們的PCE 之比約為4 倍.因此,蜂窩型結構背電極除了在阻值方面上影響效率外,還在其他方面,例如接觸面積上影響了電池的效率.

3.2.2 蜂窩結構中圓形半徑對背電極的影響

研究厚度為150 nm Ag 薄膜蜂窩結構,邊緣間距分別為1 和2 μm 時,圓形半徑依次為0.5,1,1.5,2,2.5 和3 μm 的背電極電阻,結果如圖4 所示.

由圖4 可知,圓形半徑為0.5 μm 時,邊緣間距分別為1 和2 μm 的背電極阻值都最小,半徑為3 μm 時電極阻值最大.并且隨著圓形半徑的增加,電阻是在逐漸增加的,但是增大的趨勢不是線性的.同時發現,在半徑相同時,邊緣間距為2 μm 的背電極阻值更小,這可能是由于當邊緣間距為2 μm 時,在相同的面積上,該結構的圓形間隙個數更少,占比面積較小,因此使得它的電阻比邊緣間距為1 μm 時的小.

圖4 蜂窩結構背電極電阻隨圓形半徑的變化Fig.4.The resistance of the back electrode with honeycomb structure varies with the radius of the circle.

由此,理論上來說蜂窩結構背電極的圓形半徑是越小越好,邊緣間距越大越好.但是圓形半徑越小其制作就越復雜,制作時間也要越長,且邊緣間距越大可能會使得整個電極的面積越大,性價比低.因此認為蜂窩結構的圓形半徑約等于邊緣間距時性價比最高.

3.2.3 多孔孔隙的占比對背電極的影響

最近基于多孔隙金背電極的鈣鈦礦太陽電池研究中,發現孔隙中CH3NH3PbI3填充效果是影響器件性能的重要因素[23,24].為此,研究了厚度為150 nm 正方形Ag 背電極(面積 100 μm×100 μm)中,1—10 μm 孔隙占比對其電阻影響的規律.圖5 是無孔隙及10%隨機孔隙時背電極仿真圖及其電阻(圖5(a)),以及占比變化對其電阻值的影響(圖5(b)).

圖5 無孔隙及10%隨機孔隙時背電極仿真圖及其電阻(a),以及占比變化對其電阻值影響(b)Fig.5.Simulation diagram of back electrode without and with 10% random pores and its resistance (a),and the influence of proportion change on its resistance (b).

由圖5(a)可知,添加孔隙后的背電極電阻比無孔隙時要小.原因是孔隙的加入導致電流通過的橫截面積增加.由圖5(b)可知,隨著孔隙占比的增加,其阻值幾乎線性減小,且每增加10%的孔隙,其阻值大約減少0.005 Ω 左右,減少比例大約為5%.因此,預測每增加10%的孔隙,提升電池PCE大約5%.

進一步分析上述最優結構的相對性能.由于多孔孔隙結構背電極中占空比的差別,導致不能通過阻值大小比較來直接判斷結構的優劣.為此,需要計算出上述結構補充為矩形時的電阻,然后通過各個結構阻值與該矩形結構的比值來判斷結構的相對性能.得出邊緣間距為1 μm、圓形半徑為0.5 μm的蜂窩結構的比值為1.3157,邊緣間距為2 μm、圓形半徑為0.5 μm 蜂窩結構的比值為1.1141,50%多孔隙結構的比值為1.5440,八邊形結構的比值為1.5871.由此可知,邊緣間距為2 μm、圓形間隙半徑為0.5 μm 的蜂窩結構比值最小,性能最好.

3.3 厚度對背電極影響

研究邊緣間距為2 μm 圓形半徑為0.5 μm 的Ag 薄膜蜂窩結構背電極.圖6 是仿真蜂窩結構(圖6(a))及背電極電阻-厚度變化趨勢圖(圖6(b)).

圖6 仿真蜂窩結構(a)及背電極電阻-厚度變化趨勢圖(b)Fig.6.Simulated honeycomb structure (a) and back electrode resistance changing with its thickness (b).

由圖6 可知,背電極厚度為45 nm 時電阻最大,1000 nm 厚度的背電極電阻最小;且隨著背電極厚度的增加,電極電阻是在逐漸減小的.在厚度為45—200 nm 之間的電阻變化趨勢最大,下降得最為迅速,而在500—1000 nm 之間的電阻變化趨勢最小,下降得不明顯.

實際上,對于鈣鈦礦太陽能電池來說背電極的電阻越小越好,因此理論上來說背電極的厚度是越大越好.但在考慮制作成本及制作效率的條件下,當背電極厚度達到200 nm 以上時,電阻的變化程度不明顯,性價比低;而背電極厚度低于100 nm時,電阻的變化幅度比較大,很難精確地控制.因此蜂窩結構的背電極厚度在為100—150 nm 時其性能最優,效果最佳,此時電極的制備成本等較合適.

4 總結

本文從背電極材料、結構、厚度等三個方面進行了仿真研究,并討論了電極阻值對鈣鈦礦太陽能電池性能的影響規律.由結果可知,相對于金屬的電阻值,金屬的功函數對電池性能的影響更大.不同的背電極結構除了其阻值會影響電池性能外,還存在影響電池性能的其他因素;蜂窩結構背電極中,考慮制作難易程度的情況下,得出圓形半徑約等于邊緣間距時性價比最高;預測每增加10%的孔隙,電池效率大約提升5%;背電極的阻值隨著厚度的增加而減小,考慮工藝、成本等因素的前提下,得出最佳的厚度應在100—150 nm 之間.