钙钛矿和硅结合可提高太阳能电池30％生产效率

3月30日消息，美国国家可再生能源实验室（NREL）的研究人员与韩国的研究人员合作，已经验证了将钙钛矿和硅结合以生产效率超过30％的太阳能电池的潜力。

他们最初的太阳能电池的认证效率为26.2％。“这项研究为钙钛矿技术的进一步发展提供了具有明显技术突破和科学见解的新通用方法。”《科学》杂志一篇新发表的论文的通讯作者朱凯说。朱凯是NREL化学与纳米科学中心的资深科学家。

钙钛矿成分本身的效率为20.7％，这是宽带隙钙钛矿文献中报道的最高效率。

科学家还指出，加速测试表明，钙钛矿电池在连续照明1000小时后仍能保持其初始效率的80％以上，从而表现出“出色的长期稳定性”。钙钛矿是具有通式ABX结构的一类化合物，其名称源自于同名矿物钙钛矿。钙钛矿太阳能电池是由多种元素组合而成的，并已成为发展最快的太阳能技术。

朱凯，世宗大学的Dong Hoe Kim和韩国科学技术高等研究院的Byungha Shin构思了该研究项目，该项目部分由能源部太阳能技术办公室资助。研究人员说，一旦完成其他工作以完善硅层，串联太阳能电池的效率可能会超过30％。

串联太阳能装置由顶部钙钛矿电池和底部硅电池组成。顶部和底部都通过带隙吸收了太阳光谱的不同部分。顶部钙钛矿电池的带隙越宽，底部硅器件可以吸收的阳光越多。硅的带隙固定为1.1电子伏特（eV），但钙钛矿的带隙可以进行化学调节或“调谐”。理想带隙约为1.7eV，但要实现这一目标，需要用溴代替碘。但是，过多的溴会使钙钛矿不稳定。

该领域的研究人员一直在探索所谓的二维（2-D）相的用途，其中将长链分子分隔的片状卤化铅八面体添加到钙钛矿中，用作钝化剂以减少化学反应性。钝化层的使用在改善钙钛矿的稳定性和性能方面是有效的。

在对钝化层进行工程设计时，NREL的科学家及在韩国的同事专注于对二维添加剂的带负电离子（称为阴离子）进行工程设计，而不是其他人关注的带正电离子（阳离子）。通过引入硫氰酸盐并将其与碘混合，研究人员能够改善宽带隙（1.68eV）钙钛矿的结构和光电性能以及器件性能。硫氰酸盐的使用使研究人员能够提高设备的电流密度，而碘能够提高电压。

早些时候Xiao、朱凯以及多伦多大学的同事开发出的钙钛矿-硅串联结构，经认证的效率为25.7％，400小时后性能下降可忽略不计。该发现发表在本月初的《科学》杂志上。NREL的并行研究集中于高度稳定的钙钛矿-硅串联。本月早些时候在《科学》杂志上也报道过其他进展，该设备是通过使用碘、溴和氯的组合制成的，稳定的串联设备的认证效率为25.8％。