串联硅-钙钛矿光伏电池性能提升

通过在硅和钙钛矿制成的串联太阳能电池中添加看起来像鸡蛋箱泡沫的周期性纳米结构，德国Helmholtz Zentrum Berlin的研究人员实现了29.8%的认证效率。

这是串联太阳能电池效率的世界纪录，直到今年7月，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员略微超过这一纪录，创下31%的新纪录。然而，德国团队在《自然纳米技术（Nature Nanotechnology）》最近的一篇论文中详细介绍了他们如何实现里程碑式的效率，以及如何进一步实现钙钛矿太阳能技术的前景。

硅太阳能电池的理论效率极限约为29%，目前最好的电池的效率仅低于27%。由III-V族半导体制成的太阳能电池可以实现高于30%的效率，但这些材料昂贵且难以加工。

串联电池，其中硅被容易制造的光伏钙钛矿覆盖，提供了一种至少在理论上以低成本实现40%以上效率的方法，而不需要完全不同的制造设施。

到目前为止，研究这种串联装置的团队一直试图通过调整钙钛矿的化学成分、制作更好更均匀的层、改善两个材料层之间的接触以及其他技巧来获得每一点效率增益。

德国团队和紧随其后的瑞士团队通过在硅表面创造纹理来提高效率。Helmholtz Zentrum的研究员、这篇新论文的第一作者Philipp Tockhorn表示，对太阳能电池进行纹理化可以减少反射损耗，从而增加设备产生的电流。“纹理对于充分利用钙钛矿-硅串联太阳能电池的光学潜力并将光学损耗降至最低至关重要。”

纯硅电池纹理的标准方法是创建几微米大小的随机金字塔结构。但Tockhorn说，这对串联电池不起作用，因为标准金字塔结构的高度超过了钙钛矿层的厚度。为了克服这一问题，研究人员试图改变钙钛矿沉积方法，同时保持金字塔结构不变，或者尝试调整金字塔结构，以更容易地在其上沉积钙钛矿溶液。他说：“要完全覆盖纹理而不出现针孔是一个挑战，这会降低性能。”

瑞士EPFL团队的解决方案是使用与金字塔纹理硅表面兼容的混合蒸汽/溶液处理技术。他们制造了一个1平方厘米的太阳能电池，其能量转换效率为31.25%。

但Tockhorn和他的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的支持，该团队决定采用六边形排列的正弦设计。他说，这些纳米结构可以很容易地涂上钙钛矿，而不会影响钙钛矿的质量。

纳米结构不仅提高了效率，还提高了高质量串联太阳能电池的产量。这是因为纹理化的表面比平坦的硅表面更好地保留了钙钛矿溶液，从而形成了质量更好的钙钛矿膜。在45个纳米纹理的串联太阳能电池中，只有两个在钙钛矿涂层后有可见的孔，产量约为95%。平面器件的产率为50%：30个器件中有15个显示出宏观空穴。

该德国小组使用紫外纳米压印光刻和蚀刻来制造纳米结构硅表面。最终的钙钛矿硅电池尺寸为1平方厘米。Tockhorn说，他们使用的纳米压印技术相对容易扩展到大面积。“学术界的许多研究人员认为纳米压印光刻技术是一种非常有前途的太阳能电池工具，因为它在结构类型方面非常简单和通用。”

现在，他们已经有了在纹理化的硅片上制作基于溶液的钙钛矿层的概念证明，他表示，他们正在努力改进器件，以进一步提高效率。“我们需要瞄准一个完全纹理化的钙钛矿顶部电池，它在钙钛矿和硅之间的界面和正面都有纹理。”