此前，硅太陽(yáng)能電池的理論效率極限在29.4%。但去年，科學(xué)家們已經(jīng)成功打破了串聯(lián)硅鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率紀(jì)錄，首次突破了30%的里程碑?，F(xiàn)在，他們不僅透露了他們是如何做到的，另一支研究團(tuán)隊(duì)也表示，他們用不同的方法打破了這一紀(jì)錄。

最常見(jiàn)的太陽(yáng)能電池使用硅來(lái)吸收光。現(xiàn)代商業(yè)硅太陽(yáng)能電池的效率現(xiàn)在超過(guò)24%，最好的實(shí)驗(yàn)室電池的效率達(dá)到了26.8%。提高太陽(yáng)能電池效率的一種方法是將兩種不同的光吸收材料堆疊在一個(gè)裝置中。這種串聯(lián)的方法增加了太陽(yáng)能電池可以獲得的陽(yáng)光光譜。

“Stability and scalability aspects should now be of central focus.”

—XIN YU, SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY LAUSANNE

科學(xué)家們?cè)絹?lái)越多地研究了鈣鈦礦在串聯(lián)太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用，因?yàn)檫@些晶體價(jià)格低廉，而且很容易在實(shí)驗(yàn)室中生產(chǎn)。一種常見(jiàn)的方法是使用由鈣鈦礦制成的頂部電池來(lái)吸收較高能量的可見(jiàn)光，而使用由硅制成的底部電池來(lái)吸收較低能量的紅外線。

2022年，一組德國(guó)研究人員透露了他們是如何開(kāi)發(fā)出效率為29.8%的鈣鈦礦硅串聯(lián)太陽(yáng)能電池的，而位于瑞士諾伊沙特爾的瑞士電子與微技術(shù)中心的另一個(gè)小組及其合作者創(chuàng)造了31.25%的新紀(jì)錄。

瑞士電子與微技術(shù)中心的材料科學(xué)家Quentin Jeangros說(shuō)：“這是一種結(jié)構(gòu)與大規(guī)模生產(chǎn)兼容的技術(shù)首次達(dá)到了30%以上的效率?！?/p>

現(xiàn)在，Neuchaétel的研究人員和他們的同事透露了他們是如何制造該設(shè)備的，而柏林的科學(xué)家和他們的合作者則推出了一種效率高達(dá)32.5%的新型串聯(lián)太陽(yáng)能電池。

Neuchaétel小組透露，他們的設(shè)備由硅底電池上的鈣鈦礦頂電池組成，硅底電池具有幾微米高的金字塔。使用紋理表面而不是平面表面增強(qiáng)了表面的光捕獲能力。

該小組采用兩步法沉積鈣鈦礦。首先，他們使用熱蒸發(fā)在金字塔覆蓋的硅底部電池上鋪設(shè)無(wú)機(jī)模板。接下來(lái)，他們使用一種溶液將這種支架結(jié)晶成鈣鈦礦。這有助于確保鈣鈦礦也形成金字塔以捕捉光線。

鈣鈦礦硅串聯(lián)太陽(yáng)能電池面臨的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是防止在光幫助分離這些電荷后，帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴在鈣鈦礦頂部電池中重新組合而導(dǎo)致電荷損失。Neuchaétel和Berlin團(tuán)隊(duì)都采用了一種策略來(lái)克服這個(gè)問(wèn)題，那就是放置一層碳60富勒烯層，可以有效地從鈣鈦礦中提取電子。

然而，在鈣鈦礦表面的缺陷處，電子和空穴可以重新結(jié)合。Neuchaétel集團(tuán)通過(guò)在鈣鈦礦電池的結(jié)晶過(guò)程中使用膦酸添加劑來(lái)避免這種情況，這有助于防止這些缺陷的形成。

瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院洛桑光伏實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)家Xin Yu Chin表示：“這些結(jié)果表明，該技術(shù)已準(zhǔn)備好進(jìn)入下一個(gè)發(fā)展階段，這意味著穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性方面現(xiàn)在應(yīng)該成為重點(diǎn)。”

柏林研究小組使用了一種不同的方法，依賴(lài)于一種被稱(chēng)為碘化哌嗪鎓的離子液體。流體是由帶正電的陽(yáng)離子和帶負(fù)電的陰離子組成的鹽。這使其能夠修飾鈣鈦礦上的正表面缺陷和負(fù)表面缺陷，以減少?gòu)?fù)合。

沙特阿拉伯阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)的科學(xué)家們超過(guò)了這兩項(xiàng)記錄，他們?cè)?月和5月分別開(kāi)發(fā)了效率為33.2%和33.7%的鈣鈦礦硅串聯(lián)電池。Jeangros說(shuō)，最終，“我們相信35%是可以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。”

Neuchatel小組目前正專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)工業(yè)上適用的加工方法，以擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，并提高這些設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性。Chin說(shuō)：“這項(xiàng)技術(shù)很可能還需要5到10年才能推向市場(chǎng)?！?/p>

審核編輯：劉清