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新纪录诞生!钙钛矿硅串联太阳能电池效率达29.15%,稳定性能超300小时

2020-12-15 15:16 前瞻网   

来自柏林亥姆霍兹中心(HZB)的科学家个团队在《科学》杂志上发表了一篇报告,介绍了目前由钙钛矿和硅制成的串联太阳能电池,其效率达到29.15%!创造了新的世界纪录!

新纪录诞生!钙钛矿硅串联太阳能电池效率达29.15%,稳定性能超300小时

这种太阳能串联电池能够在300小时内连续提供稳定的性能,甚至在没有封装的情况下也是如此。为此,由Steve Albrecht教授领导的研究小组研究了界面处的物理过程,以改善载流子的输运。

由不同带隙的两种半导体组成的太阳能电池,当串联使用时,其效率比单独使用的电池要高得多。这是因为串联电池能更有效地利用太阳光谱。特别是,传统的硅太阳能电池主要是将光的红外成分有效地转化为电能,而某些钙钛矿化合物可以有效地利用阳光的可见光成分,使其成为一个强大的组合。

新纪录:29.15%

就在5年前,串联太阳能电池的最高效率还只有13.7%,两年前则就达到了25.2%,今年早些时候又增至27.7%.

而在2020年初,HZB的Steve Albrecht教授带领的团队打破了之前由钙钛矿和硅组成的串联太阳能电池(28.0%,牛津PV)的世界纪录,创造了29.15%的世界纪录。

这接近了具有里程碑意义的30%,并且离35%的理论上限也不远了。

与此前的最高认证效率(26.2%)相比,这也是一个巨大的进步。新的效率值已经获得弗劳恩霍夫ISE认证,并在NREL图表中列出。现在,研究结果已经发表在《科学》杂志上,并详细解释了制造过程和基础物理。

稳定性能超300小时

Albrecht团队的博士生、该研究的第一作者Eike Kohnen说:“29.15%的效率不仅是该技术的最高记录,而且在NREL图表中也是整个新兴光伏领域的最高记录。”

此外,新的钙钛矿/硅串联电池的特点是,在不受封装保护的情况下,连续暴露在空气和模拟阳光下仍然可以实现超过300小时的稳定性能。该团队使用了具有1.68 eV带隙的复合钙钛矿组成,并专注于优化衬底层面。

他们与立陶宛的合作伙伴(Vytautas Getautis教授的团队)开发了一种有机分子的中间层,这种中间层可以自动排列成一个自组装的单层(SAM)。它由一种新的甲基取代咔唑分子(Me-4PACz)组成。这种SAM被应用到电极上,促进了电荷载流子的流动。

Amran Al-Ashouri是Albrecht团队的成员,也是这项研究的第一作者之一,他表示:“可以说,我们首先准备了完美的钙钛矿床。”

研究小组首先使用了能带隙为1.68 ev的钙钛矿组成,然后为该电池开发了一种特殊的电极接触层,并改善了中间层。新的电极接触层还允许HZB HySPRINT实验室改善钙钛矿化合物的组成。现在,当在串联太阳能电池中照明时,该化合物更加稳定,并改善了顶部和底部电池贡献的电流平衡。硅底部电池具有特殊的氧化硅顶层,用于光学耦合顶部和底部电池。

填充因子优化

研究人员随后使用一系列互补的调查方法,分析不同流程之间的接口钙钛矿、SAM和电极:“特别是,我们优化所谓的填充因子,这是受多少影响载流子的路上丢失的钙钛矿顶细胞,”Al-Ashouri解释道。当电子通过C60层向阳光的方向流动时,“空穴”则以相反的方向通过SAM层进入电极。“然而,我们观察到空穴的提取比电子的提取要慢得多,这限制了填充因子,”Al-Ashouri说。

由自组装的甲基取代咔唑单层膜作为钙钛矿电池中的空穴选择层之后,同时使串联开路电压高达1.92V——在空气中,没有封装,串联运行300小时后仍保持95%的初始效率。

这表明,经过重新设计后,新的SAM层大大加速了空穴传输,从而同时有助于提高钙钛矿层的稳定性。

研究团队成员们表示,通过结合光致发光光谱、建模、电学表征和太赫兹电导率测量,可以区分钙钛矿材料界面的各种过程,并确定重大损失的来源。

在目前的形式下,太阳能电池是在1平方厘米的样品中测试的,但研究人员说,将其扩大到更实际的尺寸应该是一件相对简单的事情。

许多合作伙伴参与了该项目,包括立陶宛库纳斯技术大学、波茨坦大学、卢布尔雅那大学/斯洛文尼亚大学、谢菲尔德大学/英国大学,以及德国联邦物理技术学院(PTB)、柏林HTW大学和柏林技术大学,Albrecht在那里担任初级教授。对单个钙钛矿电池和硅电池的研究分别在HZB实验室HySPRINT和PVcomB进行。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

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责任编辑: 4114RWL

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