新紀錄誕生!鈣鈦礦矽串聯太陽能電池效率達29.15%,穩定性能超300小時

2021-01-09 前瞻網
新紀錄誕生！鈣鈦礦矽串聯太陽能電池效率達29.15％，穩定性能超300小時
 Evelyn Zhang • 2020-12-15 09:18:57　來源：前瞻網　E1946G0

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來自柏林亥姆霍茲中心(HZB)的科學家個團隊在《科學》雜誌上發表了一篇報告，介紹了目前由鈣鈦礦和矽製成的串聯太陽能電池，其效率達到29.15%！創造了新的世界紀錄！

這種太陽能串聯電池能夠在300小時內連續提供穩定的性能，甚至在沒有封裝的情況下也是如此。為此，由Steve Albrecht教授領導的研究小組研究了界面處的物理過程，以改善載流子的輸運。

由不同帶隙的兩種半導體組成的太陽能電池，當串聯使用時，其效率比單獨使用的電池要高得多。這是因為串聯電池能更有效地利用太陽光譜。特別是，傳統的矽太陽能電池主要是將光的紅外成分有效地轉化為電能，而某些鈣鈦礦化合物可以有效地利用陽光的可見光成分，使其成為一個強大的組合。

新紀錄：29.15%

就在5年前，串聯太陽能電池的最高效率還只有13.7%，兩年前則就達到了25.2%，今年早些時候又增至27.7%.

而在2020年初，HZB的Steve Albrecht教授帶領的團隊打破了之前由鈣鈦礦和矽組成的串聯太陽能電池(28.0%，牛津PV)的世界紀錄，創造了29.15%的世界紀錄。

這接近了具有裡程碑意義的30%，並且離35%的理論上限也不遠了。

與此前的最高認證效率(26.2%)相比，這也是一個巨大的進步。新的效率值已經獲得弗勞恩霍夫ISE認證，並在NREL圖表中列出。現在，研究結果已經發表在《科學》雜誌上，並詳細解釋了製造過程和基礎物理。

穩定性能超300小時

Albrecht團隊的博士生、該研究的第一作者Eike Kohnen說:「29.15%的效率不僅是該技術的最高記錄，而且在NREL圖表中也是整個新興光伏領域的最高記錄。」

此外，新的鈣鈦礦/矽串聯電池的特點是，在不受封裝保護的情況下，連續暴露在空氣和模擬陽光下仍然可以實現超過300小時的穩定性能。該團隊使用了具有1.68 eV帶隙的複合鈣鈦礦組成，並專注於優化襯底層面。

他們與立陶宛的合作夥伴(Vytautas Getautis教授的團隊)開發了一種有機分子的中間層，這種中間層可以自動排列成一個自組裝的單層(SAM)。它由一種新的甲基取代咔唑分子(Me-4PACz)組成。這種SAM被應用到電極上，促進了電荷載流子的流動。

Amran Al-Ashouri是Albrecht團隊的成員，也是這項研究的第一作者之一，他表示:「可以說，我們首先準備了完美的鈣鈦礦床。」

研究小組首先使用了能帶隙為1.68 ev的鈣鈦礦組成，然後為該電池開發了一種特殊的電極接觸層，並改善了中間層。新的電極接觸層還允許HZB HySPRINT實驗室改善鈣鈦礦化合物的組成。現在，當在串聯太陽能電池中照明時，該化合物更加穩定，並改善了頂部和底部電池貢獻的電流平衡。矽底部電池具有特殊的氧化矽頂層，用於光學耦合頂部和底部電池。

填充因子優化

研究人員隨後使用一系列互補的調查方法，分析不同流程之間的接口鈣鈦礦、SAM和電極：「特別是，我們優化所謂的填充因子，這是受多少影響載流子的路上丟失的鈣鈦礦頂細胞，」Al-Ashouri解釋道。當電子通過C60層向陽光的方向流動時，「空穴」則以相反的方向通過SAM層進入電極。「然而，我們觀察到空穴的提取比電子的提取要慢得多，這限制了填充因子，」Al-Ashouri說。

由自組裝的甲基取代咔唑單層膜作為鈣鈦礦電池中的空穴選擇層之後，同時使串聯開路電壓高達1.92V——在空氣中，沒有封裝，串聯運行300小時後仍保持95%的初始效率。

這表明，經過重新設計後，新的SAM層大大加速了空穴傳輸，從而同時有助於提高鈣鈦礦層的穩定性。

研究團隊成員們表示，通過結合光致發光光譜、建模、電學表徵和太赫茲電導率測量，可以區分鈣鈦礦材料界面的各種過程，並確定重大損失的來源。

在目前的形式下，太陽能電池是在1平方釐米的樣品中測試的，但研究人員說，將其擴大到更實際的尺寸應該是一件相對簡單的事情。

許多合作夥伴參與了該項目，包括立陶宛庫納斯技術大學、波茨坦大學、盧布爾雅那大學/斯洛維尼亞大學、謝菲爾德大學/英國大學，以及德國聯邦物理技術學院(PTB)、柏林HTW大學和柏林技術大學，Albrecht在那裡擔任初級教授。對單個鈣鈦礦電池和矽電池的研究分別在HZB實驗室HySPRINT和PVcomB進行。

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組

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