里程碑！一天2篇Science，突破30%效率门槛!

提高太阳能电池效率的一个方法是将其优化为宽光谱的太阳光以转化为电能。在这种情况下，串联式太阳能电池可以包括一个吸收高能量光子的顶部电池和一个吸收低能量光子的底部电池。这样的装置可以被制作成一叠层，顶部和底部的电池相互连接在一起。将钙钛矿太阳能电池和硅太阳能电池单片集成到一个串联装置中，是一条以低成本实现高性能光伏的道路。

实验室规模的钙钛矿 - 硅串联太阳能电池

在最新一期《Science》中，瑞士洛桑联邦理工学院的Xin Yu Chin课题组和柏林亥姆霍兹材料与能源中心有限公司的Steve Albrecht课题组分别报告了在钙钛矿-硅串联太阳能电池中实现功率转换效率（PCEs）大于30%的不同方法。突破这一门槛为高性能、低成本的光伏产品进入市场提供了信心。

2022年，全球光伏累计装机容量达到1.2 TW 。然而，为了避免与全球变暖相关的灾难性情况，到2050年，光伏总容量需要增加到75 TW。在过去的几十年里，以硅技术为主导的主流光伏市场的增长在很大程度上是由光伏电池和组件（电池串联在一起并包装成更大的单元）性能的系统性提高，以及组件可靠性的提高和生产规模的扩大所推动。这些因素共同推动了光伏发电的平准化成本的下降。现代商业硅太阳能电池现在的PCE大于24%，而最好的实验室电池的PCE为26.8%。这归因于诸如表面和接触钝化之类的创新，即抑制电荷载流子（电子和空穴）复合的一种手段。然而，理论上最大的PCE为29.4%，单晶硅光伏的实际性能极限已在眼前。为了进一步降低商用光伏的平准化电力成本，具有相当于硅产品可靠性的可扩展的高性能太阳能电池概念需要迅速成熟。

串联太阳能电池是降低平准化电力成本的最直接途径，远远超过了单结太阳能电池所能做到的。这是因为串联电池可以极大地降低电荷载流子的热化。同样，光传输损失也限制了具有一定带隙能量的单结太阳能电池的性能(EG)。热化损失与能量大于EG的入射光子有关；传输损失与光子能量小于EG有关。串联电池通过堆叠太阳能电池将这些损失降到最低，将带隙较大的电池置于向阳面。硅的带隙为1.12 eV，并且作为一种负担得起的、成熟的光伏技术，它非常适合作为串联设备中的底部电池。双结串联装置的理想顶部电池带隙在1.65至1.75eV之间。

在过去的15年里，金属卤化物钙钛矿作为一种有前途的半导体类别出现在太阳能电池中。由于它们的带隙可以被调整到覆盖顶部电池所需的范围，它们与硅的整合已迅速成为一个活跃的研究领域。为此，已经开发了几种将钙钛矿沉积到硅上的方法，这些方法是基于溶液工艺、真空沉积或两种方法的结合。

最初关于单片串联电池的工作集中在为顶部电池开发低温沉积工艺，以保证与高效底部电池的兼容性。后者通常是基于硅异质结技术。串联电池现在被设计成在其向阳面收集电子，在背面收集空穴，因为这样可以使电流最大化。这样的串联极性利用了特定的接触层，由于光吸收而不产生电荷，电流损失最小。为了进一步提高电流密度，具有纹理表面（向阳面和背面）的底部电池已被越来越多地采用，以提高光捕获能力。然而，为了充分实现钙钛矿-硅串联的潜力，无论钙钛矿是如何沉积的，一个主要的障碍是最大限度地减少钙钛矿顶层电池中电子和空穴的重新结合造成的电荷损失，特别是在其与面向光线一侧的电子收集接触堆的界面上。该接触堆栈通常有一个C60富勒烯层（电子传输层），可以有效地从钙钛矿层中提取电子。

本期Science上两篇文章都报告了不同的策略，通过分子方法解决了顶部接触钝化的问题，从而获得了经过认证的>30%效率的钙钛矿-硅串联。不同类型的钙钛矿-硅串联体的这一效率阈值已经被打破，这表明钙钛矿技术具有广阔的设计空间。

叠层太阳能电池结构

Mariotti等人表明钙钛矿-C60界面也可以通过插入碘化哌嗪（一种离子液体）来钝化，用于在前平硅底部电池上使用溶液处理钙钛矿的串联。选择碘化哌嗪是因为它含有电子受体和电子供体官能团，可以分别与正负包晶石表面缺陷相互作用。这种修改改善了能带排列，减少了重组损失，并增强了钙钛矿-C60界面的电子提取。由此产生的钙钛矿-硅串联体表现出高达2V的开路电压。作者因此解释了他们在2022年宣布的钙钛矿-硅串联体的认证PCE为32.5%。

作为下一步，进一步提高钙钛矿-硅串联体的性能仍然很重要，它可以实现远高于35%的PCE。同时，需要关注提高器件的可靠性。在大约5年内达到更高性能、稳定性和规模化目标是有挑战的。但是，充分参与到这样挑战，不仅会加速一项令人兴奋的可再生能源技术的成熟，而且更重要的是，加速实现关键的75兆瓦全球光伏产能目标。

具体详情请看原文

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg0091

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf5872#con1  

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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