采用III-V族半导体制成的太阳能电池能够实现30%以上效率

鸡蛋箱泡沫状的纳米结构能够大大提升光电转化效率。 

通过在由硅和钙钛矿制成的叠层太阳能电池中添加类似鸡蛋箱泡沫的重复性纳米结构，德国柏林亥姆霍兹中心的研究人员将经过认证的电池效率提高到了29.8%。

这是叠层太阳能电池效率的世界纪录，直到2022年7月，瑞士电子中心和瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员才创下了略微超过这一数值的31%的新纪录。前述德国团队在《自然•纳米技术》最近的一篇论文中详细介绍了他们如何实现这一里程碑式效率，以及对未来钙钛矿太阳能技术前景的见解。

硅太阳能电池的理论效率极限为32%，目前最好的电池的效率不到27%。采用III-V族半导体制成的太阳能电池能够实现30%以上的效率，但这些材料价格昂贵且难以加工。

叠层电池在硅上涂有易于制造的光伏钙钛矿，是一种效率可超过40%的方法，至少在理论上是这样。这种电池能够以低成本生产，不需要完全不同的制造设施。

到目前为止，研究这种叠层设备的团队一直在尝试改变钙钛矿的化学成分，制造更均匀、更良好的叠层，并改善两个材料层之间的接触，一点点提高效率。

通过在硅表面上添加纹理，该德国团队和紧随其后的瑞士团队大大提高了装置的效率。德国亥姆霍兹中心的研究员、这篇新论文的第一作者菲利普•托克霍恩（Philipp Tockhorn）说，给太阳能电池添加纹理能够减少反射损耗，从而提高设备产生的电流。“要想充分获取钙钛矿-硅叠层太阳能电池的光学潜力，并将光学损耗降至最低，纹理至关重要。”

纯硅电池制作纹理的标准方法是随机制作几微米大小的棱锥结构。托克霍恩说，但这不适用于叠层电池，因为标准棱锥结构的高度超过了钙钛矿涂层的厚度。为了克服这个问题，研究人员尝试了保留棱锥结构，转而改变钙钛矿沉积方法，或调整棱锥结构使其易于钙钛矿溶液沉积。“颇具挑战的是要完全覆盖纹理而不出现小孔，小孔会降低性能。”他说。

瑞士洛桑联邦理工学院团队的解决方案是使用混合蒸汽/溶液处理技术，这种技术可兼容棱锥纹理的硅表面。他们制作了一个1平方厘米的太阳能电池，其电力转换效率为31.25%。

不过，托克霍恩及其同事决定研究更浅的纳米结构。基于之前的实验工作和光学模拟，该团队决定采用一种六边形排列的正弦设计。他说，这样可容易地将钙钛矿涂在这些纳米结构上，不会影响钙钛矿的质量。

纳米结构不仅提高了效率，还提高了高质量叠层太阳能电池的良率。因为纹理表面可以比平坦的硅表面更好地保留钙钛矿溶液，形成质量更好的钙钛矿膜。添加钙钛矿涂层后，45 个纳米纹理叠层太阳能电池中，只有2个有可见孔，良率约为95%，而在30个平面器件中，有15个有肉眼可见的孔，良率为50%。

纳米结构不仅能提高效率，还能提高高质量叠层太阳能电池的良率。

德国团队使用紫外线纳米压印和刻蚀技术制造纳米结构硅面。最终的钙钛矿硅电池的尺寸为1平方厘米。托克霍恩说，他们使用的纳米压印技术比较容易实现大面积应用。“学术界的许多研究人员认为纳米压印是一种非常有前景的太阳能电池制造工具，在结构类型方面，它非常简单且通用。”

如今，他们已经完成在纹理硅片上制作钙钛矿涂层溶液的概念验证演示，托克霍恩说，他们正在努力改进设备，进一步提升效率。“我们的目标是使钙钛矿涂层电池完全纹理化，在电池的前部以及钙钛矿和硅之间的界面制作纹理。”

作者：Prachi Patel

编辑：黄飞