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Nature子刊:硅-钙钛矿太阳能电池实现更高电池效率

导读:光伏太阳能系统可以从太阳中获取可持续的清洁能源,而由于光伏太阳能的制造成本不断降低,这一体系继续扩张的速度将超过任何其他可再生能源。在这一新能源体系中,硅基太阳能电池将由于其较低的处理成本、较高的效率和稳定性而占据市场主导地位。因此,基于新兴钙钛矿技术的设备也成为了人们关注的焦点。该技术似乎特别有应用前景,因为应用它可以进一步提高硅太阳能电池的效率。

由欧盟资助的CHEOPS项目支持的一个研究小组,将硅和基于钙钛矿的电池组合在一起,形成“串联”形式的装置,这种新装置可以提供比单独电池更多的电力。并且得到的太阳能电池效率达到了25.2%。

近期这项研究以"Fully textured monolithic perovskite/silicon tandem solar cells with 25.2% power conversion efficiency"为题目发表在Nature Materials上。该研究结果表明,特制的钙钛矿沉积工艺与现有的工业单晶硅底部电池完全兼容,并有可能以较为合理的成本实现“功率转换效率超过30%”的太阳能电池。

Nature子刊:硅-钙钛矿太阳能电池实现更高电池效率

覆盖钙钛矿材料的硅质“金字塔”图。 (图片来源:EPFL)

论文的共同作者Quentin Jeangros在该项目网站上发表的一篇新闻报道中引述道:“硅表面由一系列约5微米的“金字塔”组成,它能够有效捕获光线并防止其被反射。然而,这种复杂的表面纹理结构使得薄厚均匀的钙钛矿膜难以沉积。”

当钙钛矿以液体形态沉积时,如同我们常识所知的那样,液体在“金字塔”之间的谷中积聚,金字塔的塔尖上没有覆盖液体,这种现象将导致最终的电池短路。洛桑联邦理工学院和微电子技术中心的科学家们首先在金字塔的表面形成全覆盖的无机基层,进而使用蒸发的方法在溶液中沉积钙钛矿有机成分,最后低温退火步骤使钙钛矿吸收剂结晶。串联后的太阳能电池受益于硅的材质,光电流记录在硅表面上并因此具有很高的性能。

论文的第一作者Florent Sahli补充说道:“到目前为止,制造钙钛矿/硅串联电池的标准方法是在沉积钙钛矿之前先平整硅金字塔的样式,但这会降低其光学性能,进而降低电池性能,并且这个制造方法也十分繁琐。”

融入现有的太阳能生产线

本研究中开发的工艺旨在通过在硅底部制造工艺添加少量特定的生产阶段。因此,在实施这项钙钛矿电池生产工艺时,硅电池制造商将不必采用全新的太阳能技术生产线。尽管研究团队取得了突破性研究,但仍有很多工作需要去做,特别是在保持电池长期稳定性方面的研究仍有欠缺。

正在进行的CHEOPS项目(生产低成本和高效光伏钙钛矿太阳能电池的生产技术)旨在将具有光活性的钙钛矿材料开发的更接近于市场。

正如研究项目网站上所解释的那样,“在实验室规模上,钙钛矿装置的能量转换效率很快提高到超过20%。但是再进行工业级别的大规模的制备中,电池效率会显著降低到低于9%。此外,关于材料稳定性和测量结果的可靠性研究问题仍在讨论中。”

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