此前，硅太陽能電池的理論效率極限在29.4%。但去年，科學家們已經成功打破了串聯硅鈣鈦礦太陽能電池的效率紀錄，首次突破了30%的里程碑。現在，他們不僅透露了他們是如何做到的，另一支研究團隊也表示，他們用不同的方法打破了這一紀錄。

最常見的太陽能電池使用硅來吸收光。現代商業硅太陽能電池的效率現在超過24%，最好的實驗室電池的效率達到了26.8%。提高太陽能電池效率的一種方法是將兩種不同的光吸收材料堆疊在一個裝置中。這種串聯的方法增加了太陽能電池可以獲得的陽光光譜。

“Stability and scalability aspects should now be of central focus.”

—XIN YU, SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY LAUSANNE

科學家們越來越多地研究了鈣鈦礦在串聯太陽能電池中的應用，因為這些晶體價格低廉，而且很容易在實驗室中生產。一種常見的方法是使用由鈣鈦礦制成的頂部電池來吸收較高能量的可見光，而使用由硅制成的底部電池來吸收較低能量的紅外線。

2022年，一組德國研究人員透露了他們是如何開發出效率為29.8%的鈣鈦礦硅串聯太陽能電池的，而位于瑞士諾伊沙特爾的瑞士電子與微技術中心的另一個小組及其合作者創造了31.25%的新紀錄。

瑞士電子與微技術中心的材料科學家Quentin Jeangros說：“這是一種結構與大規模生產兼容的技術首次達到了30%以上的效率。”

現在，Neuchaétel的研究人員和他們的同事透露了他們是如何制造該設備的，而柏林的科學家和他們的合作者則推出了一種效率高達32.5%的新型串聯太陽能電池。

Neuchaétel小組透露，他們的設備由硅底電池上的鈣鈦礦頂電池組成，硅底電池具有幾微米高的金字塔。使用紋理表面而不是平面表面增強了表面的光捕獲能力。

該小組采用兩步法沉積鈣鈦礦。首先，他們使用熱蒸發在金字塔覆蓋的硅底部電池上鋪設無機模板。接下來，他們使用一種溶液將這種支架結晶成鈣鈦礦。這有助于確保鈣鈦礦也形成金字塔以捕捉光線。

鈣鈦礦硅串聯太陽能電池面臨的一個關鍵問題是防止在光幫助分離這些電荷后，帶負電的電子和帶正電的空穴在鈣鈦礦頂部電池中重新組合而導致電荷損失。Neuchaétel和Berlin團隊都采用了一種策略來克服這個問題，那就是放置一層碳60富勒烯層，可以有效地從鈣鈦礦中提取電子。

然而，在鈣鈦礦表面的缺陷處，電子和空穴可以重新結合。Neuchaétel集團通過在鈣鈦礦電池的結晶過程中使用膦酸添加劑來避免這種情況，這有助于防止這些缺陷的形成。

瑞士聯邦理工學院洛桑光伏實驗室的材料科學家Xin Yu Chin表示：“這些結果表明，該技術已準備好進入下一個發展階段，這意味著穩定性和可擴展性方面現在應該成為重點。”

柏林研究小組使用了一種不同的方法，依賴于一種被稱為碘化哌嗪鎓的離子液體。流體是由帶正電的陽離子和帶負電的陰離子組成的鹽。這使其能夠修飾鈣鈦礦上的正表面缺陷和負表面缺陷，以減少復合。

沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學的科學家們超過了這兩項記錄，他們在4月和5月分別開發了效率為33.2%和33.7%的鈣鈦礦硅串聯電池。Jeangros說，最終，“我們相信35%是可以實現的目標。”

Neuchatel小組目前正專注于開發工業上適用的加工方法，以擴大生產規模，并提高這些設備的運行穩定性。Chin說：“這項技術很可能還需要5到10年才能推向市場。”

審核編輯：劉清