科学家揭示效率破纪录的串联太阳能电池背后的秘密

来源：cnBeta
时间：2023-08-23 00:20:25

目前最先进的串联太阳能电池由硅基和包晶石表层组成，可以将接收到的大约三分之一的太阳光转化为电能。这些都是创纪录的数值，尤其是对于一种可能非常廉价的技术而言。柏林亥姆霍兹中心（HZB）的一个团队目前正在提供科学数据，并在《科学》杂志上介绍了这一发展是如何实现的。

透辉石/硅串联太阳能电池的照片。晶片中间的活性区域被银电极包围。图片来源：Johannes Beckedahl/Lea Zimmerman/HZB

"柏林亥姆霍兹中心在硅异质结技术和包晶体太阳能电池方面都积累了丰富的专业知识，而且合作非常密切，因此我们才有可能取得这一成果，"柏林亥姆霍兹中心包晶体串联太阳能电池研究小组负责人 Steve Albrecht 教授说。例如，HySPRINT 创新实验室的包光体专家和光伏能力中心（PVcomB）的硅专家已经为串联太阳能电池创造了多项效率世界纪录。

(资料图片)

现在，《科学》杂志首次详细介绍了这种串联太阳能电池，2022 年 12 月，它还创造了新的效率世界纪录，将 32.5% 的入射日光转化为电能，成为当时的头条新闻。这一世界纪录一直保持到 2023 年 4 月中旬被沙特阿拉伯 KAUST 研究中心光伏实验室的一个小组打破。

该研究领域竞争异常激烈，全世界有许多小组都在从事这一领域的研究。现在，HZB 团队再次率先提交了一份扎实、科学严谨的同行评审技术出版物，其中包含精确的测量数据集以及有关串联电池结构的详细信息。

图中所示为串联太阳能电池的结构示意图，底部电池由硅制成，顶部电池由包晶石制成。顶部电池利用光谱中的"蓝光"成分，而底部电池则转换红光和近红外线。不同的薄层优化了光的利用，并将损耗降至最低。图片来源：Eike Köhnen/HZB

阿尔布雷希特和他的团队主要依靠博士后研究员西尔维亚-马里奥蒂（Silvia Mariotti）博士和艾克-科宁（Eike Köhnen）博士开发的一种经过大幅改良的过氧化物晶化合物和一种新型碘化哌嗪分子进行复杂的表面改性。这在很大程度上抑制了电荷重组，并显著降低了相关损耗。

利用特殊的测量技术，研究人员能够详细分析串联电池界面和各层的基本过程，并在加深理解的基础上进一步优化这些过程。随后，研究人员将研发成果结合起来，应用于串联太阳能电池，并对顶部电极进行了进一步调整，以改善光学性能。

来自不同机构的许多专家都参与了串联电池的生产和开发：例如，波茨坦大学的一个小组对单个和串联电池进行了先进的光电测量；西班牙圣塞巴斯蒂安的 Joxe Mari Korta 中心合成了用于改性表面的新型分子；立陶宛考纳斯技术大学的一个小组帮助加工了薄膜质量极高的新型过氧化物化合物。只有将所有改性结合起来，才有可能实现光电压（开路电压）和光电流的最大值，从而提高效率。

在过去几年中，世界各地的研究机构和光伏公司一直在不断提高太阳能电池的效率。最近两年的情况尤其令人兴奋：2021 年底，德国联邦科学院的团队将硅和过氧化物串联太阳能电池的效率提高到了略低于 30%（29.8%）的创纪录水平。

这是通过在太阳能电池中引入特殊的周期性纳米结构实现的。2022 年夏天，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）报告了一种效率为 31.3% 的经认证的串联电池。从 2022 年 12 月到 2023 年 4 月中旬，世界纪录又回到了 HZB，达到了 32.5%，直到沙特阿拉伯的 KAUST 光伏实验室在实验室中展示了 33.2% 的过氧化物硅串联电池。2023 年 5 月，KAUST 甚至成功地将这一记录提高到了 33.7%。

阿尔布雷希特说："我们对我们科学学科的这些巨大进步感到非常兴奋。它们给我们带来了希望，让我们相信这项技术能够在未来数年内为应对气候变化的可持续能源供应做出重要贡献，因为珍珠光泽石/硅串联太阳能电池的升级和工业化生产也是可行的"。

HZB 的科学主任 Bernd Rech 教授说："硅/透辉石串联太阳能电池的效率现在已经达到了以前只有昂贵的 III/V 半导体才能达到的范围"。

制造这种串联太阳能电池的技术原则上已经存在，而且成本可能很低；现在的重点是进一步提高户外使用的稳定性。

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