我所制備出光電轉化效率達27%的鈣鈦礦-硅疊層電池

  近日,我所薄膜硅太陽電池研究組(DNL1606)劉生忠研究員團隊聯合陜西師范大學楊棟研究員,通過將半透明鈣鈦礦電池與高效硅異質結薄膜電池結合,組成光電轉化效率達到27.0%的四端鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池。

  晶硅太陽能電池是第一代太陽能電池,經過數十年發展,技術已經非常成熟。目前,95%的光伏市場份額被晶硅太陽能電池所占據。實驗室報導的最好的晶硅太陽能電池的光電轉化效率已經達到26.6%,非常接近它的理論光電轉化效率極限29.4%。在物理法則下,晶硅電池的效率提升之路正變得越來越窄。為了實現更高的光電轉換效率,越來越多的研究開始關注將晶硅電池與其它的高效率電池組成疊層電池。

  鈣鈦礦電池是近幾年發展起來的第三代太陽能電池,它具有原料豐富、成本低、制備工藝簡單、對缺陷的容忍性好等優點。目前,實驗室報導的鈣鈦礦電池光電轉換效率已超過24%。鈣鈦礦的結構通式是ABX3,A位通常是正一價的有機陽離子CH3NH3+、NH=CHNH3+或者無機Cs+離子等,B位通常是正二價金屬陽離子Pb2+、Sn2+等。X通常是鹵素陰離子I-、Br-、Cl-等。通過離子替換,鈣鈦礦的帶隙可以在1.4到2.3 eV之間靈活調節,使它成為非常理想的疊層電池子電池材料。

  疊層電池由一個高帶隙子電池和一個低帶隙子電池組成。低帶隙子電池拓寬了太陽光光子的利用率;高帶隙子電池減少了半導體捕獲高能光子后電子躍遷后馳豫過程的熱能損失。因此疊層電池具有比單結電池更高的極限光電轉化效率。得到高效率的疊層太陽能電池的關鍵之一是在溫和條件下制備透明電極,即在不傷害底層材料的前提下,制備兼具高導電性和高透光性的電極。

  該團隊使用真空熱蒸發沉積薄膜的方法,以三氧化鉬/金納米網/三氧化鉬“三明治結構”作為透明電極,替換掉傳統鈣鈦礦電池中的金屬背電極。制備的半透明鈣鈦礦太陽能電池具有18.3%的光電轉化效率,這是目前使用超薄金屬制備的半透明鈣鈦礦電池的最高效率之一。將此半透明鈣鈦礦太陽能電池與光電轉化效率23.3%的硅異質結薄膜電池結合,得到了光電轉換效率27.0%的四端疊層太陽能電池。

  本項研究使用了一種簡單低成本的方法制備高導電性、高透光性的透明電極,有助于推動半透明電池以及多結/疊層電池的發展,降低光伏發電的成本。相關成果發表在《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)上。該工作得到了國家自然科學基金、中國國家重點研究與發展計劃、陜西省科技創新引導等項目的資助。(文/圖 段連杰、王子瑜)

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