雞蛋箱泡沫狀的納米結(jié)構(gòu)能夠大大提升光電轉(zhuǎn)化效率。?

通過在由硅和鈣鈦礦制成的疊層太陽能電池中添加類似雞蛋箱泡沫的重復性納米結(jié)構(gòu)，德國柏林亥姆霍茲中心的研究人員將經(jīng)過認證的電池效率提高到了29.8%。

這是疊層太陽能電池效率的世界紀錄，直到2022年7月，瑞士電子中心和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）的研究人員才創(chuàng)下了略微超過這一數(shù)值的31%的新紀錄。前述德國團隊在《自然?納米技術(shù)》最近的一篇論文中詳細介紹了他們?nèi)绾螌崿F(xiàn)這一里程碑式效率，以及對未來鈣鈦礦太陽能技術(shù)前景的見解。

硅太陽能電池的理論效率極限為32%，目前最好的電池的效率不到27%。采用III-V族半導體制成的太陽能電池能夠?qū)崿F(xiàn)30%以上的效率，但這些材料價格昂貴且難以加工。

疊層電池在硅上涂有易于制造的光伏鈣鈦礦，是一種效率可超過40%的方法，至少在理論上是這樣。這種電池能夠以低成本生產(chǎn)，不需要完全不同的制造設施。

到目前為止，研究這種疊層設備的團隊一直在嘗試改變鈣鈦礦的化學成分，制造更均勻、更良好的疊層，并改善兩個材料層之間的接觸，一點點提高效率。

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通過在硅表面上添加紋理，該德國團隊和緊隨其后的瑞士團隊大大提高了裝置的效率。德國亥姆霍茲中心的研究員、這篇新論文的第一作者菲利普?托克霍恩（Philipp Tockhorn）說，給太陽能電池添加紋理能夠減少反射損耗，從而提高設備產(chǎn)生的電流。“要想充分獲取鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池的光學潛力，并將光學損耗降至最低，紋理至關(guān)重要。”

純硅電池制作紋理的標準方法是隨機制作幾微米大小的棱錐結(jié)構(gòu)。托克霍恩說，但這不適用于疊層電池，因為標準棱錐結(jié)構(gòu)的高度超過了鈣鈦礦涂層的厚度。為了克服這個問題，研究人員嘗試了保留棱錐結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)而改變鈣鈦礦沉積方法，或調(diào)整棱錐結(jié)構(gòu)使其易于鈣鈦礦溶液沉積。“頗具挑戰(zhàn)的是要完全覆蓋紋理而不出現(xiàn)小孔，小孔會降低性能。”他說。

瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院團隊的解決方案是使用混合蒸汽/溶液處理技術(shù)，這種技術(shù)可兼容棱錐紋理的硅表面。他們制作了一個1平方厘米的太陽能電池，其電力轉(zhuǎn)換效率為31.25%。

不過，托克霍恩及其同事決定研究更淺的納米結(jié)構(gòu)。基于之前的實驗工作和光學模擬，該團隊決定采用一種六邊形排列的正弦設計。他說，這樣可容易地將鈣鈦礦涂在這些納米結(jié)構(gòu)上，不會影響鈣鈦礦的質(zhì)量。

納米結(jié)構(gòu)不僅提高了效率，還提高了高質(zhì)量疊層太陽能電池的良率。因為紋理表面可以比平坦的硅表面更好地保留鈣鈦礦溶液，形成質(zhì)量更好的鈣鈦礦膜。添加鈣鈦礦涂層后，45 個納米紋理疊層太陽能電池中，只有2個有可見孔，良率約為95%，而在30個平面器件中，有15個有肉眼可見的孔，良率為50%。

納米結(jié)構(gòu)不僅能提高效率，還能提高高質(zhì)量疊層太陽能電池的良率。

德國團隊使用紫外線納米壓印和刻蝕技術(shù)制造納米結(jié)構(gòu)硅面。最終的鈣鈦礦硅電池的尺寸為1平方厘米。托克霍恩說，他們使用的納米壓印技術(shù)比較容易實現(xiàn)大面積應用。“學術(shù)界的許多研究人員認為納米壓印是一種非常有前景的太陽能電池制造工具，在結(jié)構(gòu)類型方面，它非常簡單且通用。”

如今，他們已經(jīng)完成在紋理硅片上制作鈣鈦礦涂層溶液的概念驗證演示，托克霍恩說，他們正在努力改進設備，進一步提升效率。“我們的目標是使鈣鈦礦涂層電池完全紋理化，在電池的前部以及鈣鈦礦和硅之間的界面制作紋理。”

作者：Prachi Patel

編輯：黃飛

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