太阳能电池性能得到提升！科学家成功制造钙钛矿/硅双层单片电池

我们都知道，太阳能是光能的主要获取源头。硅太阳能电池板可以将光能转化为电能，常规串联太阳能电池可以通过吸收额外波长的光转化为电能，且相较于前者更加有效。

不仅如此，研究人员已经意识到，使用双面串联配置，即利用传统硅基层和钙钛矿制成的另一层 “串联” 组合的新系统，可以搜集到更多的能量，还可以捕获许多原本浪费的、从地面反射和散射的光（称为 “反照率”） 来显著增加串联太阳能电池的电流。

2021 年 1 月 11 日，国际合作组织（包括阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）和 U.T 工程学院的研究人员）在《自然能源》杂志上发表了一篇名为《基于带隙工程的高效钙钛矿 / 硅双层单片太阳能电池》（Efficient bifacial monolithic perovskite/silicon tandem solar cells via bandgap engineering）的论文。

论文概述了该团队设计钙钛矿 / 硅设备，并超过目前公认的串联配置性能极限的全部过程。

团队成员各司其职、通力合作，共同完成了该研究。其中，Michele De Bastiani 博士提出了研究设想，并和 Alessandro J.Mirabelli 一起制造了器件。

多伦多大学电子和计算机工程博士后研究员 Yi Hou、Bin Chen 和 Anand S.Subbiah 开发了钙钛矿带隙，Erkan Aydin 和 Furkan H.Isikgor 开发了串联顶部接触和布局。

这项研究得出了双面单片钙钛矿 / 硅串列太阳能电池利用环境中的漫反射光反照率，使其性能优于单面钙钛矿 / 硅串列太阳能电池的结论。该研究团队首先报告了在单面 AM1.5G 阳光的照射下，经认证的功率转换效率大于 25% 的双面串联在户外测试下，其发电密度高达 26mWcm-2 的结果。

同时，研究人员研究了在各种真实光照和反照率条件下获得最佳电流匹配所需的钙钛矿带隙，比较了暴露在不同反照率下的这些双面柱的性质，并提供了两个具有不同环境条件的位置的能量产额计算。

最后，该团队比较了单面和双面钙钛矿 / 硅串列的室外试验场，以证明串联双面性对于具有实际相关反照率的位置的附加值。

新的双面串联太阳能电池的主体由硅层和钙钛矿层构成。同时，它们还结合了许多其他化合物。Stefaan De Wolf 教授说：“串联装置的复杂性是主要的挑战。这之中涉及十四种材料，其中每一种材料都必须进行完美优化以考虑反照率的影响。”

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图 | 相关论文

这项研究的共同主要作者 Michele De Bastiani 博士说：“通过利用反照率，我们现在可以产生比常规双极膜更高的电流，且完全不增加制造成本。” 该研究的作者包括多伦多大学电子和计算机工程专业教授 Ted Sargent 和博士后研究员 Yi Hou。

过去，研究人员对捕获间接阳光的潜力已经进行了研究，但尚未通过实验验证。除工程技术大学外，阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的研究人员还和卡尔斯鲁厄理工学院以及博洛尼亚大学的合作者合作，解决了将间接阳光纳入其模块的能量收集的能力所需的科学和工程挑战。

然后，在室外条件下，他们测试了双面串联太阳能电池，并实现超出任何商用硅太阳能电池板的效率。

“仅双面硅太阳能电池在光伏市场中的份额就迅速增加，因为它们可以带来 20％的相对性能提升。在钙钛矿 / 硅锡烷中使用该方法能够比传统硅太阳能电池的发电效率更高，且可以降低原料的成本。”Stefaan De Wolf 教授总结说。De Wolf 和他的同事与加拿大、德国和意大利的研究小组合作开发了此项技术。

在论文结论中，研究人员通过实验证明了如何利用双面性来提高钙钛矿 /c-Si 整体结构的性能。由于采用了较窄的钙钛矿带隙，具有透明背电极的器件结构依赖于反照率来增强底部电池中的电流产生，同时增强钙钛矿顶部电池中的电流产生。

这种匹配是针对 1.59-1.62ev 带隙钙钛矿实现的，其中溴含量与单面钙钛矿 /c-Si 串联中的溴含量相比最小，从而大大降低了与卤化物偏析相关的稳定性问题。该团队在田间试验中评估了双面串联的性能，并预测了不同气候条件下双面和单面串联结构的能量产额。

在这两种情况下，双面串联优于单面配置，这验证了这项技术的前景。这项工作展示了一种新的高效太阳能电池的潜力，它可以使用一种高性能但价格合理的技术来缩小与 30mwcm–2PGD 势垒的差距。

从这里开始，进一步提高设备性能并扩大技术规模，是使这项技术更接近光伏市场的下一个合理步骤。

瑞士洛桑联邦理工学院光伏实验室主任克里斯托弗・巴利夫教授（Christophe Ballif 教授）没有参与研究。他评论说：“本文首次通过实验清楚地证明了双面串联装置的证据。研究人员报告的性能定量分析对于制造该技术进入大众市场所需的稳定设备非常重要。”