下一代光伏技术之钙钛矿/BC三端叠层太阳电池

爱旭研发中心编者按：

单结晶硅太阳电池技术发展迅速，已经逼近其29.56%的理论效率。超越单结晶硅太阳电池效率的下一代光伏技术将是基于双结的硅基叠层太阳电池。根据叠层电池的电极配置，可以分为两端、三端和四端叠层。两端叠层具备工艺简单优点，四端叠层提供设计灵活性，三端叠层则凭借最高理论效率(45.3%)和融合两者的优势脱颖而出。BC电池凭借其天然适配三端叠层的优势，成为钙钛矿-晶硅叠层底电池实现更高效率、更高发电量的最优选择；同时，基于BC底电池的三端叠层所具备的无电流失配、高工艺容忍度、户外使用场景更广泛等优势，使其具备更高发展及应用潜力。

下面将从第一性原理与电路理论、制备流程与工艺窗口、叠层电池组件性能以及场景适应性、度电成本等多角度进行论述。

从第一性原理角度看，根据细致平衡原理，双结叠层电池的效率只与顶底电池的带隙有关。因此基于钙钛矿顶电池和晶硅底电池的叠层电池都应该只有一个极限效率，与晶硅电池的具体结构无关。具体到考虑晶硅底电池形式后的叠层结构，也有学者进行了理论计算[1]并给出了两端、三端和四端电池的理论效率，如下表：

表一 单结和叠层电池在不同带隙下的理论效率（根据细致平衡原理计算）

根据计算结果可以看出，晶硅电池作为底电池的话，基于三端叠层结构的双结叠层电池具有最高的理论效率。

从最基本的电路理论上看，TOPCon、HJT与钙钛矿串联的两端叠层电池存在“最小电流限制”，叠层电池电流是两个串联电池中的最小电流。只有在两个串联电池的电流匹配或匹配附近时，整个器件才能以最大功率工作。在电流存在较大失配时（比如早上或傍晚时分，太阳光色温更低，光谱会发生红移，见图1a和1b），两端叠层电池的发电功率显著下降。而钙钛矿/BC三端叠层电池其结构设计更为巧妙，可通过多出的一端电极对失配电流进行输出，保证电池能相对更高功率地运行，见图1c。并且幸运的是，三端叠层电池中要求的电压匹配受太阳光谱变化的影响要比电流小，因此三端叠层相比两端叠层，从第一性原理上就决定了前者具有更广泛的场景适应性和生命力。

图1 a. 不同时间段太阳光色温变化；b.不同色温下的光谱（更低色温下光谱发生红移）；c. 不同时间段三端与两端叠层组件功率输出趋势

退一步说，BC底电池通过只接触极性相反的电极，同样可以构建两端串联结构。若顶电池采用具有pn反式结构的太阳电池，则可以从正面p型接触和背面n型接触提取功率。在相反的情况下（np正式结构），可以从正面n型接触和背面p型接触提取功率，即可实现从三端到两端结构的转换。

尽管在电池层面上三端叠层电池有3个端子输出，但关于如何使它们在电池串和组件层面实现2个端子输出，学术界已经进行了各种研究并给出了详尽的解决方案[2-3]. 因此，带有3端子输出的三端叠层电池组件可以以2个端子输出与光伏电站中的逆变器连接，大大降低了其在组件到电站端的组网难度。

从叠层电池制备流程上看，相对于顶底电池相互独立的四端叠层电池，TOPCon、HJT与钙钛矿电池串联的两端叠层电池以及钙钛矿/BC三端叠层电池（如图2）均可通过在晶硅底电池上直接进行钙钛矿顶电池沉积的方式将顶底电池相连，无需额外的电路设计，大大降低了组件端制造成本。

图2 两端、三端、四端叠层电池结构示意图及等效电路模型[4]

从光学与钝化角度出发，在大绒面上进行钙钛矿的保形沉积生长，能实现对入射光的最大化利用。由于TOPCon只有一个极性采用钝化接触技术，且SiOx/poly-Si难以在大绒面上实现优异的双极钝化接触，同时poly-Si存在长波段寄生吸收问题，导致采用TOPCon底电池的两端叠层电池开路电压和短路电流更低，双面发电性能也因此受限打折扣；现阶段两端叠层电池的主流以及小面积/大面积叠层效率世界纪录器件均采用全极钝化接触的HJT底电池。而BC作为平台技术可以同样利用HJT电池的这些优势。

再看BC电池与钙钛矿顶电池的适配性，钙钛矿/BC三端叠层电池无需考虑电流匹配，这也意味着对钙钛矿的带隙与厚度容忍度高。两端叠层电池的钙钛矿最佳带隙在1.68 eV左右，且存在最优厚度（见图3、4）。当两端叠层电池的钙钛矿顶电池带隙由于制备或者长期运行偏离最佳带隙，会导致器件性能急剧下降，并加速钙钛矿稳定性恶化。

在相同带隙与钙钛矿膜层厚度下，钙钛矿/BC三端叠层电池展现出45.3%的最高光电转化效率[1]（见图3，三种电池的模拟结果均基于细致平衡原理进行模拟，而非采用低效电池性能数据作为模拟输入值得出32%的误导结果）。这意味着其在制作工艺流程中的工艺窗口更大，更利于钙钛矿大面积制备和结晶以及叠层技术的产业化。此外，欧洲学者的研究成果[5]表明，3T结构具有更高的抗局部阴影特性、更低的反向偏压敏感度、更高的电池片间差异容忍度。

图3 钙钛矿带隙对两端、三端、四端叠层电池光电转换效率的影响[1]

图4 钙钛矿厚度对两端、三端、四端叠层电池发电性能影响[4]

考察叠层组件的发电性能，钙钛矿/BC三端叠层组件具有最高的年发电量[6]（见图5，模拟结果基于相同底电池IV参数）。这源于钙钛矿/BC三端叠层电池可以在更广泛的气候、场景、季节（1sun或非1sun条件）下都能实现更大功率运作。从图5也可以看出，在单双面发电场景下，2T叠层相比3T叠层展现出对钙钛矿带隙更大的依赖性，导致2T叠层工艺窗口更小或器件设计复杂度更大，产品使用场景更受限制。根据模拟[7]，基于相同底电池性能的BC三端叠层组件每年可以比TOPCon两端叠层组件多产生1.2-6.2%的额外电量（和地理位置和应用相关，见图6），从而降低了发电成本。同时可以明显看到，相对于两端叠层组件，钙钛矿/BC三端叠层组件在双面发电场景下也更有优势。

图5 基于TOPCon与BC底电池（相同IV性能）的叠层组件发电性能与钙钛矿带隙关系模拟结果[6]

图6 基于TOPCon与BC底电池（相同IV性能）的叠层组件年发电性能比较（德国弗莱堡与中国珠海）[7]

最后再来看两端和三端叠层技术的平准化度电成本[7]（LCOE）。与当下主流的23%单结TOPCon组件的LCOE相比（见图7），基于采用相同TOPCon底电池的两端叠层组件将使LCOE降低15.3%-17.1%。然而，由于三端叠层的能量产出增益，相比BC单结组件，BC三端叠层组件LCOE可以降低16.3-18.6%。无论三端叠层组件是用于单面还是双面场景，基于BC底电池的三端叠层组件的LCOE都将低于基于TOPCon底电池的两端叠层组件的LCOE。

图7 基于TOPCon和BC底电池的两端和三端叠层组件的LCOE对比[7]

秉持“第一性原理”的研发理念，笔者坚信“基于BC底电池的三端叠层技术”是难而正确的事情。未来，随着BC电池量产技术越来越成熟，成本逐渐逼近TOPCon水平，三端钙钛矿-晶硅叠层技术的研发队伍将不断壮大，更多成果将如雨后春笋般破土而出，不断推动这对“黄金组合”实现"度电成本下降+应用场景拓展"的双螺旋进化历程‌。

【参考文献】

[1] Tockhorn P, Wagner P, Kegelmann L, et al. Three-terminal perovskite/silicon tandem solar cells with top and interdigitated rear contacts[J]. ACS Applied Energy Materials, 2020, 3(2): 1381-1392.

[2] McMahon W E, Schulte-Huxel H, Buencuerpo J, et al. Homogenous voltage-matched strings using three-terminal tandem solar cells: fundamentals and end losses[J]. IEEE Journal of Photovoltaics, 2021, 11(4): 1078-1086.

[3] Schulte‐Huxel H, Witteck R, Blankemeyer S, et al. Optimal interconnection of three‐terminal tandem solar cells[J]. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2023, 31(12): 1350-1359.

[4] Gota F , Langenhorst M , Schmager R ,et al.Energy Yield Advantages of Three-Terminal Perovskite-Silicon Tandem Photovoltaics[J].Joule, 2020, 4(11):2387-2403.DOI:10.1016/j.joule.2020.08.021.

[5] Miha Kikelj, Laurie-Lou Senaud, Jonas Geissbu¨hler, Christophe Ballif, Quentin Jeangros, Bertrand Paviet-Salomon. Do all good things really come in threes? The true potential of 3-terminal perovskite-silicon tandem solar cell strings. Joule. 2024, 8, 852–871.

[6] P. Tillmann, "Design criteria of bifacial tandel solar cells" 12th bifiPV Workshop, Zhuhai, 2024.

[7] D.Bogachuk, "Techno-economic Assessment and LCOE Benefits of the 3-terminal Perovskite/Silicon (ABC) Tandem Solar Modules" 12th bifiPV Workshop, Zhuhai, 2024.