全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池 效率高達(dá)24.8%

:中國南京大學(xué)和加拿大多倫多大學(xué)的一組研究人員最近制造了全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池（PSC），這是一種具有關(guān)鍵鈣鈦礦結(jié)構(gòu)成分的太陽能電池。在Nature Energy的一篇論文中介紹的這些新太陽能電池可實(shí)現(xiàn)卓越的效率，優(yōu)于其他現(xiàn)有解決方案。

該研究的首席研究員Hairen Tan說：“這項(xiàng)研究工作的最初想法是制造比單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池更高效的全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池。”

鈣鈦礦是與鈣鈦礦具有相同晶體結(jié)構(gòu)的一組礦物，鈣鈦礦是一種黃色，棕色或黑色的礦物，主要由鈦酸鈣組成。在過去的幾年中，世界各地的多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)一直在嘗試使用這種材料開發(fā)太陽能電池，通常利用寬帶隙（1.8 eV）或窄帶隙（1.2 eV）的鈣鈦礦。

制造全鈣鈦礦串聯(lián)太陽能電池，從而將寬禁帶和窄禁帶鈣鈦礦組合在一起，可以產(chǎn)生比單結(jié)電池更高的功率轉(zhuǎn)換效率（PCE），而不會(huì)增加制造成本。然而，為了構(gòu)建這種新型的太陽能電池，研究人員需要找到一種方法來增強(qiáng)每個(gè)子電池的性能，同時(shí)還要將寬帶隙和窄帶隙電池進(jìn)行協(xié)同集成。

“不幸的是，以前報(bào)道混合的Pb-Sn窄帶隙鈣鈦礦太陽能電池都表現(xiàn)出低的效率（PCE18-20％）和低的短路電流密度（j SC 28-30毫安/厘米2），” Tan說。“它們遠(yuǎn)低于其潛力，也低于最佳的基于鉛的單結(jié)鈣鈦礦電池的性能?！?/p>

在先前開發(fā)的窄帶隙鈣鈦礦太陽能電池中觀察到性能差的主要原因是其關(guān)鍵成分之一，即Sn 2+，容易氧化成Sn 4+。結(jié)果，所得的細(xì)胞膜顯示出高的陷阱密度和短的載流子擴(kuò)散長度。在研究中，Tan和他的同事們希望找到可以幫助克服這一局限性的解決方案。

Tan說：“我們這項(xiàng)工作的主要目標(biāo)是啟動(dòng)一種策略，以擴(kuò)大窄帶隙鈣鈦礦型太陽能電池的擴(kuò)散，從而獲得性能更好的串聯(lián)式太陽能電池。Sn空位通常是由于在混合的Pb-Sn鈣鈦礦中摻入Sn 4+（Sn 2+氧化產(chǎn)物）引起的。我們認(rèn)為，一種防止前體溶液中Sn 2+氧化的新策略可以大大改善電荷載流子的擴(kuò)散長度。”

Tan和他的同事介紹了一種新的化學(xué)方法，該方法最終可以提高PSC的性能。該方法基于補(bǔ)償反應(yīng)，該反應(yīng)導(dǎo)致混合的Pb-Sn窄帶隙鈣鈦礦的電荷載流子擴(kuò)散長度顯著提高。

先前提出的方法均以亞微米擴(kuò)散長度為特征，這會(huì)損害電池的整體效率。另一方面，Tan和他的同事在他們的工作中實(shí)現(xiàn)了3μm的擴(kuò)散長度。一項(xiàng)非凡的成果，使打破性能記錄的Pb-Sn電池和全鈣鈦礦串聯(lián)電池成為可能。

Tan解釋說：“我們通過開發(fā)一種錫還原的前體溶液策略實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，該策略通過前體溶液中的歧化反應(yīng)使Sn 4+（Sn 2+的氧化產(chǎn)物）返回到Sn 2+。”

含錫鈣鈦礦的氧化一直是開發(fā)具有鈣鈦礦成分的太陽能電池的關(guān)鍵問題，因?yàn)樗鼤?huì)負(fù)面影響其性能，從而阻礙其在各種環(huán)境中的應(yīng)用。Tan和他的同事們采用的新化學(xué)方法為使用含錫窄帶隙鈣鈦礦制造串聯(lián)太陽能電池提供了另一種途徑，從而使電池更穩(wěn)定，更高效。

他補(bǔ)充說：“我們的工作還表明，含錫鈣鈦礦的電子質(zhì)量可以與已證明其效率和晶體硅電池相似的鹵化鉛鈣鈦礦的電子質(zhì)量相媲美。毫無疑問，我們的串聯(lián)方法最終將為我們提供一種非常便宜但高效的太陽能設(shè)備的途徑?！?/p>

在他們的研究中，Tan和他的同事使用他們的化學(xué)方法制造了整體式鈣鈦礦串聯(lián)電池，然后測(cè)試了它們的性能。他們發(fā)現(xiàn)，其串聯(lián)電池獲得了非常好的效率，小面積設(shè)備（0.049 cm 2）約24.8 ％，大面積設(shè)備（1.05 cm 2）約22.1％。

此外，在完全的一次陽光照射下，電池在最大功率下運(yùn)行400小時(shí)以上后，仍可保持90％的性能。將來，這組研究人員介紹的方法可能會(huì)為開發(fā)更高效，更具成本效益的太陽能設(shè)備提供信息。

Tan說：“我們現(xiàn)在計(jì)劃進(jìn)一步將全鈣鈦礦型串聯(lián)太陽能電池的功率轉(zhuǎn)換效率提高到28％以上。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的第一種可能方法是減少寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池中的光電壓損失。另一種可能性是減少隧道復(fù)合結(jié)中的光損失。”