钙钛矿太阳能电池（PSCs）作为第四代光伏技术，近年来在光电转换效率（PCEs）和电池工业化方面取得了显著进展。钙钛矿吸收层结合了有机和无机半导体的优势，具有高缺陷容忍度、可调谐光吸收、高载流子分离效率以及低加工温度等独特优势。

TOPCon、HIT和IBC三种类型的太阳能电池

三种硅光伏技术的代表性电池结构

TOPCon：这是一种n型硅太阳能电池技术，其中SiOx层作为n-Si和多晶硅之间的中介层，有效解决了PERC电池中的接触损失问题。

HIT：这种电池使用氢化非晶硅（a-Si）作为晶圆钝化剂，有助于制造超薄太阳能电池，并且与PERC和TOPCon相比，其电池光电电压与界面缺陷高度相关，得到了显著改善。

IBC：IBC设计将所有的金属栅格转移到电池的背面，以最大化光吸收。为了确保背面的双极性载流子提取，重掺杂的p型和n型层交替图案化，驱动光生载流子在多个准横向内建电场下分离。

背接触设计

IBC和q-IBC钙钛矿电池结构和工作原理

IBC：在这种设计中，电极以条纹模式沉积，电子传输层（ETL）和空穴传输层（HTL）交替沉积在电极上，并且完全覆盖电极以避免金属接触损失。钙钛矿吸收层最后沉积以完成IBC设备的制造。还会引入一个封装层以保护钙钛矿表面，隔离外部湿气，并减少入射反射。

q-IBC：这是IBC的一个衍生结构，旨在简化设备处理。部分电极和传输层没有图案化，而是使用隔离器阵列来加载另一部分电极和传输层，显著减少了沉积要求和后接线的难度。

背接触设计的关键优势在于最大化光吸收和提高载流子收集效率，同时减少寄生吸收和死区损失。通过这种设计，可以实现更高的光电转换效率和更好的电池性能。

不同类型的钙钛矿太阳能电池（PSC）

不同钙钛矿太阳能电池及结构

传统钙钛矿电池结构

继承自薄膜光伏电池，采用激光划刻技术实现子电池的串联连接。具体通过对透明导电膜、电池堆叠层和顶部金属电极进行三次激光划刻，使一个子电池的正极与相邻子电池的负极实现电连接。

凹槽背接触钙钛矿电池结构

2019 年提出，不使用激光划刻技术，基于凹槽结构，在凹槽底部自然形成断点，通过电极和传输层的掩膜沉积实现子电池的电连接。每个凹槽填充钙钛矿作为光吸收层，相当于传统结构旋转 90°。

凹槽图案化到微米级需要更高的光刻或蚀刻精度，并且在微尺度起伏基底上沉积电极和传输层时，对沉积角度和速度的精确控制是保证膜质量的关键。

平面背接触钙钛矿电池结构

缩短了凹槽电池中弯曲电极的长度，降低了电阻损耗，有助于提高填充因子和效率；沉积的钙钛矿吸收层连续且平坦，有利于膜表面的钝化处理或表面封装层（或功能层、第三电极等）的平滑制备；无死区，有效面积可提高到窗口面积的99%以上，显著增加了每个电池的功率输出。

背接触结构的工作原理

相邻电极之间建立横向电场，光生电子或空穴载流子流向相应的电荷选择层，从而产生电流流过整个单元电池。每个单元电池通过底层电极串联连接，与传统 IBC 电池相比，可输出更高的电压，有望应用于需要高压驱动的特定应用和电器中。

背接触钙钛矿太阳能电池的优化

平面背接触聚光太阳能电池组件的优化

(a)结构参数(b)表面结构优化(c)第三电极优化(d)抗反射优化

平面背接触PSC电池的截面示意图，w1决定了子电池的数量和活性面积，应根据模块产品的输出要求确定。h1应尽可能小以保证足够的吸收；w2应尽可能窄以满足刻蚀/光刻限制；h2应尽可能高以考虑材料成本。

图中提出了一种优化的钙钛矿吸收层表面结构，以确保无论光生载流子在何处生成，都能保证一致的传输距离。将表面封装层作为第三电极以构建所需的电场，以增强或减弱载流子传输的可能性。通过精确控制封装层，可以实现出色的抗反射效果，从而优化载流子的行为。

从电池结构角度综述了光伏领域热门的IBC电池，讨论了其在钙钛矿太阳能电池中的两类设计，并提出背接触钙钛矿电池。优化功能层结构尺寸、采用图案化表面及表面策略可提升性能，在推动钙钛矿光伏技术发展方面极具创新和生产价值，有望提升钙钛矿技术在光伏市场的竞争力。

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原文出处：Back-contact configuration energizes perovskite photovoltaic modules；https://doi.org/10.26599/NRE.2024.9120111