今日《Science》正刊:效率高达29%!钙钛矿太阳能电池重要突破!

能源电池材料技术 太阳能电池材料技术
材料科学与工程    2020-12-14    255

  将硅和金属卤化物钙钛矿配对的串联太阳能电池,是一个很有前途的选择,其可超越单电池的效率限制。近日,来自德国柏林科技大学的Steve Albrecht等研究者,报道了一个单片钙钛矿/硅串联太阳能电池,其认证的功率转换效率高达29。15%。本研究发现减少空穴提取速度的限制,是探索提高钙钛矿太阳能电池效率潜力的有效途径。相关论文以题为“Monolithic perovskite/silicon tandem solar cell with >29% efficiency by enhanced hole extraction”于2020年12月11日发表在Science上。

  论文链接:https://science。sciencemag。org/content/370/6522/1300

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  串联太阳能电池,由硅电池覆以钙钛矿太阳能电池(PSC)组成,可以提高商业批量生产的太阳能电池的效率,超过单结电池的限制,而不增加实质性的成本。目前为止,单结太阳能电池经认证的功率转换效率(PCE)达到25。5%,钙钛矿/CIGSe串联电池达到24。2%,全钙钛矿串联电池达到24。8%,公开发表的最高钙钛矿/硅串联效率为26。2%。钙钛矿/硅串联电池在稳定性和与组织化硅衬底的相容性方面也取得了技术进步。

  然而,这些以钙钛矿为基础的串联太阳能电池仍然有改进的空间,因为所有这些串联技术的实际限制都远高于30%。PSC效率的提高部分,是由对缺陷和重组机制的物理和化学理解的进展所驱动的。一些报道提出了表面和晶界的近乎完美钝化,光致发光量子产量(PLQYs)接近理论极限。因此,据报道,PSCs的开路电压(VOC)值仅低于其辐射极限几十meV。这些值超过了晶体硅吸收器所达到的值,并可与基于外延生长砷化镓的太阳能电池相媲美。然而,钙钛矿组成与更宽的带隙需要高效率串联太阳能电池仍然显示大量的VOC损失。主要原因包括吸收材料本身相对较低的PLQYs,接触的不当选择,以及相不稳定。即使是最先进的钙钛矿/硅串联电池,其VOC值仍远低于1。9 V。

  在此,研究者提出了一种同时克服以上问题的策略,通过带隙为1。68 eV的三倍化钙钛矿组成来证明,这使得VOC为1。92 V的光稳定串联器件成为可能。带隙为1。68 eV的钙钛矿吸收剂,通过快速空穴提取和空穴选择界面的最小化非辐射复合,在光照下保持相稳定。这些特征是由于,自组装的甲基取代咔唑单层作为钙钛矿电池的空穴选择层。加速的空穴提取与1。26的低理想系数和84%的单结填充系数有关,同时使串联开路电压高达1。92 V。该设备在空气中,没有封装时,串联保持了95%的初始效率后,可稳定运行300小时。(文:水生)

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  图1 不同基质上钙钛矿膜的光致发光性能及稳定性评价。

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  图2 电荷转移在瞬态光致发光(TrPL)中的作用。

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  图3 不同选穴层p-i-n太阳能电池的性能及填充因子损耗分析。

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  图4 使用不同HTLs的单片钙钛矿/硅串联太阳能电池的特性。

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  图5 用Me-4PACz和LiF中间层串联太阳能电池的发光亚电池分析。

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