钙钛矿和硅配对 太阳能电池效率超过30%

JOHANNES BECKEDAHL/LEA ZIMMERMAN/HZB

此前，硅太阳能电池的理论效率极限在29.4%。但去年，科学家们已经成功打破了串联硅钙钛矿太阳能电池的效率纪录，首次突破了30%的里程碑。现在，他们不仅透露了他们是如何做到的，另一支研究团队也表示，他们用不同的方法打破了这一纪录。

最常见的太阳能电池使用硅来吸收光。现代商业硅太阳能电池的效率现在超过24%，最好的实验室电池的效率达到了26.8%。提高太阳能电池效率的一种方法是将两种不同的光吸收材料堆叠在一个装置中。这种串联的方法增加了太阳能电池可以获得的阳光光谱。

科学家们越来越多地研究了钙钛矿在串联太阳能电池中的应用，因为这些晶体价格低廉，而且很容易在实验室中生产。一种常见的方法是使用由钙钛矿制成的顶部电池来吸收较高能量的可见光，而使用由硅制成的底部电池来吸收较低能量的红外线。

2022年，一组德国研究人员透露了他们是如何开发出效率为29.8%的钙钛矿硅串联太阳能电池的，而位于瑞士诺伊沙特尔的瑞士电子与微技术中心的另一个小组及其合作者创造了31.25%的新纪录。

瑞士电子与微技术中心的材料科学家Quentin Jeangros说：“这是一种结构与大规模生产兼容的技术首次达到了30%以上的效率。”

现在，NeuchaÉtel的研究人员和他们的同事透露了他们是如何制造该设备的，而柏林的科学家和他们的合作者则推出了一种效率高达32.5%的新型串联太阳能电池。

NeuchaÉtel小组透露，他们的设备由硅底电池上的钙钛矿顶电池组成，硅底电池具有几微米高的金字塔。使用纹理表面而不是平面表面增强了表面的光捕获能力。

QUENTIN JEANGROS AND CHIN YU XIN/CSEM

该小组采用两步法沉积钙钛矿。首先，他们使用热蒸发在金字塔覆盖的硅底部电池上铺设无机模板。接下来，他们使用一种溶液将这种支架结晶成钙钛矿。这有助于确保钙钛矿也形成金字塔以捕捉光线。

钙钛矿硅串联太阳能电池面临的一个关键问题是防止在光帮助分离这些电荷后，带负电的电子和带正电的空穴在钙钛矿顶部电池中重新组合而导致电荷损失。NeuchaÉtel和Berlin团队都采用了一种策略来克服这个问题，那就是放置一层碳60富勒烯层，可以有效地从钙钛矿中提取电子。

然而，在钙钛矿表面的缺陷处，电子和空穴可以重新结合。NeuchaÉtel集团通过在钙钛矿电池的结晶过程中使用膦酸添加剂来避免这种情况，这有助于防止这些缺陷的形成。

瑞士联邦理工学院洛桑光伏实验室的材料科学家Xin Yu Chin表示：“这些结果表明，该技术已准备好进入下一个发展阶段，这意味着稳定性和可扩展性方面现在应该成为重点。”

柏林研究小组使用了一种不同的方法，依赖于一种被称为碘化哌嗪鎓的离子液体。流体是由带正电的阳离子和带负电的阴离子组成的盐。这使其能够修饰钙钛矿上的正表面缺陷和负表面缺陷，以减少复合。

沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的科学家们超过了这两项记录，他们在4月和5月分别开发了效率为33.2%和33.7%的钙钛矿硅串联电池。Jeangros说，最终，“我们相信35%是可以实现的目标。”

Neuchâtel小组目前正专注于开发工业上适用的加工方法，以扩大生产规模，并提高这些设备的运行稳定性。Chin说：“这项技术很可能还需要5到10年才能推向市场。”

7月6日，科学家们在《科学》杂志（https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf5872）上的两项研究中详细介绍了他们的发现。