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光到电的跨越,《科学》报道新型双叠层太阳能电池,效率突破25.7%

作者: 学术君

时间: 2020-03-09 17:06

最新一期《科学》杂志发表了一篇来自多伦多大学和阿卜杜拉国王科技大学的最新论文,研究人员攻克了将钙钛矿新型太阳能技术与硅太阳能电池这一商业黄金标准相结合的主要障碍,结果得到了高效、稳定的双叠层太阳能电池,这也是迄今为止报道的性能最好的太阳能电池之一。

具体而言,研究人员通过溶液处理的微米级钙钛矿顶部电池与全织构硅异质结底部电池相结合,组成双叠层电池,效率突破 25.7%,能够经受 400 小时、85℃ 热稳定测试和 40°C 下最大功率点跟踪 400小时 测试,性能无衰减。

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论文通讯作者 Ted Sargent 教授表示,“如今,硅太阳能电池比以往任何时候都更高效、便宜。但是,硅本身的效率是有限的,我们致力于使用叠层的方法来克服硅的这些限制。”

新型双叠层太阳能电池

多伦多大学博士后、新论文的第一作者 Yi Hou 说:“在有纹理的硅材料上添加一层钙钛矿晶体,来制造串联太阳能电池,是提高电池性能的一个很好的方法。但目前的行业标准都是基于薄层结晶硅,技术设计时并未考虑到这种方法。”

标准的硅晶片尽管看上去很光滑,但实际上用于太阳能电池的标准硅晶片具有约 2μm 高的微小金字塔结构,硅表面不平整的结构使得表面反射的光量最小化,从而提高整体效率,但这也使得在顶部覆盖一层均匀的钙钛矿变得更加困难。

Yi Hou 说:“以前的大多数串联太阳能电池的做法都是先抛光硅表面使其光滑,然后添加钙钛矿层。这一做法虽然可行的,但要付出额外的代价。”

Yi Hou 和他们团队的其他成员,尝试采取不同的方法制作串联太阳能电池,首先,他们增加了钙钛矿层的厚度,使其高到足以覆盖用于标准硅晶片的金字塔结构。

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硅晶片与钙钛矿接触面不平整的微观结构(来源:Science)

研究小组发现,凹处的钙钛矿会产生一个电场,该电场将钙钛矿层中产生的电子与硅层中产生的电子分开。这种类型的电荷分离是有益的,因为它增加了活跃的电荷流入电路而不是电池其他部分的机会。

此外,研究小组还通过在钙钛矿晶体上覆盖一层由一种常见的工业化学品正丁硫醇(1-butanethiol)制成的“钝化层”,进一步加强了电荷分离。

经过独立外部实验室——德国弗劳恩霍夫太阳能研究所的认证,改进后的串联太阳能电池的效率达到了 25.7% ,这是有史以来针对此类设计报道的最高效率的设计之一,性能也很稳定,可以在高达85摄氏度的温度环境下,承受超过400个小时,而且性能没有明显下降。

Yi Hou:“事实上,我们可以在不修改硅片的情况下完成所有这些工作,这是一个即插即用的解决方案,工业上可以在不对现有的流程进行昂贵更改的前提下,应用此方法。”

一扇新的大门正在打开

与传统的太阳能电池不同,钙钛矿太阳能电池采用有机金属卤化物作为吸光材料,这也是钙钛矿太阳能电池的核心材料,代替了染料敏化太阳能电池中的染料分子和有机薄膜太阳能电池中的吸光层。

目前在高效钙钛矿太阳能电池中,最常见的钙钛矿材料为碘化铅甲胺(CH3NH3PbI3),其带隙约为1.5 eV。从广义上讲,钙钛矿太阳能电池是使用了具有钙钛矿晶体结构的有机金属卤化物的一种太阳能电池技术。

大多数标准太阳能电池都由硅制成,因为硅元素很容易获取,既便宜、可持续,又能够实现高能效吸收并转化太阳能。

与硅一样,钙钛矿晶体也可以吸收太阳能来激发电子,从而引导电子进入电路。但是与硅不同的是,钙钛矿可以与液体混合,产生一种可以在表面上印刷的“太阳能油墨”。因此,基于在印刷行业已经很成熟的墨水制造方法——“溶液处理”法,钙钛矿的这一特性可以大幅降低制造太阳能电池的成本。

研究团队表示,他们将继续改进设计,包括将稳定性提高到行业基准要求的1000个小时。

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研究团队成员Erkan Aydin(左)、Yi Hou(中)和Michele De Bastiani(右)展示研究成果(来源:阿卜杜拉国王科技大学)

Yi Hou说:“我们为这项工作创造的纪录感到非常自豪,但这仅仅是个开始。通过克服串联太阳能电池的关键限制,我们已经为今后能取得更大的收益奠定了基础。”

论文共同通讯作者、阿卜杜拉国王科技大学的De Wolf说:“我们的方法为硅光伏产业打开了一扇大门,可以充分利用钙钛矿技术迄今取得的巨大进步,将性能更好、成本更低的光伏发电板推向市场。”

参考资料:

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/uotf-lt030220.php

https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1135

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