钙钛矿-硅配对突破30%：金字塔纹理和富勒烯层将效率提升至35%

这种钙钛矿-硅串联太阳能电池是由德国研究人员开发的，达到了高达32.5%的效率，突破了纯硅太阳能电池29.4%的理论极限。JOHANNES BECKEDAHL / LEA ZIMMERMAN / HZB

硅太阳能电池正在接近29.4%的理论效率极限。但去年科学家表示，他们制造的串联太阳能电池首次突破了30%的效率阈值。现如今，不仅以上科学家透露了如何做到这一点，另一个团队也表示他们使用不同的方法打破了记录。

最常见的太阳能电池使用硅来吸收光线。现代商用硅太阳能电池的效率现已达24%以上，而最好的实验室电池的效率达26.8%。

提高太阳能电池效率的一种方法是将两种不同的吸光材料堆叠起来形成一个装置。这种串联方法增加了太阳能电池可收集到的太阳光光谱。

“稳定性和可扩展性方面现在应该成为焦点。”—XIN YU，瑞士洛桑联邦理工学院

越来越多科学家研究钙钛矿在串联太阳能电池中的使用，因为钙钛矿晶体价格低廉且易于在实验室中生产。一种常见的方法是使用由钙钛矿制成的顶部电池来吸收能量较高的可见光，并使用由硅制成的底部电池来吸收能量较低的红外线。

2022年，德国研究团队揭示了他们如何开发出效率高达29.8%的钙钛矿-硅串联太阳能电池，另一个团队来自位于瑞士纳沙泰尔的瑞士电子和微技术中心，该团队与其合作伙伴一起创造了31.25%的新纪录。

瑞士电子与微技术中心的材料科学家Quentin Jeangros表示：“这是首次采用与大规模生产兼容的架构技术，效率已达30%以上。”

现在，纳沙泰尔的研究人员及其同事透露了他们如何制造该设备，而柏林的科学家及其合作者则推出了一种新型串联太阳能电池，效率高达32.5%。

纳沙泰尔团队透露，其设备由顶部的钙钛矿电池和底部的硅电池组成，呈几微米高的金字塔形。使用有纹理的表面代替平坦的表面，增强了表面的光捕获能力。

高效硅基钙钛矿串联太阳能电池正面的电子显微镜图像显示，该电池具有纹理表面和碳60富勒烯层，这两者都有助于最大限度地捕获光，并防止电荷损失。QUENTIN JEANGROS和CHIN YU XIN/CSEM

该团队使用两步法沉积钙钛矿。首先，使用热蒸发在金字塔底部的硅电池上放置无机模板。然后，使用一种溶液在该模板上生成钙钛矿结晶。这一步有助于确保钙钛矿也形成金字塔，以便捕获光。

钙钛矿-硅串联太阳能电池面临的一个关键问题是，光分离带负电的电子和带正电的空穴后，需要防止这两种电荷在顶部钙钛矿电池中重新结合而造成电荷损失。为解决这一问题，纳沙泰尔团队和柏林团队采用了一项策略，即在该电池中加入碳60富勒烯层，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，电子和空穴可能会重新结合。纳沙泰尔研究团队通过在钙钛矿电池结晶过程中使用膦酸添加剂避免了这种情况，这一步有助于防止形成钙钛矿表面缺陷。

瑞士洛桑联邦理工学院位于纳沙泰尔，其光伏实验室材料科学家Xin Yu Chin表示：“这些结果表明，该技术已准备好进入下一阶段的发展，这意味着稳定性和可扩展性方面现在应该成为焦点。”

柏林团队采用了不同的方法，即依靠于一种名为碘化哌嗪的离子液体。该液体是一种盐，由带正电的阳离子和带负电的阴离子组成。因此这种液体可以改善钙钛矿上的正负表面缺陷，以减少电荷间的重新结合。

沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)的科学家打破了这两项记录，该团队开发出的钙钛矿-硅串联电池，4月测得效率为33.2%，5月测得效率为33.7%。最终，Jeangros说，“我们相信35%是一个可以实现的目标。”

纳沙泰尔团队目前专注于开发适用于工业的加工方法，以扩大生产规模，并提高这些设备运行时的稳定性。Chin表示，“这项技术可能仍需要5到10年的时间才能投入市场。”

7月6日，科学家们在《科学》期刊上发表了两项研究，其中详细介绍了他们的研究成果。