串聯(lián)硅-鈣鈦礦光伏電池性能提升

通過在硅和鈣鈦礦制成的串聯(lián)太陽能電池中添加看起來像雞蛋箱泡沫的周期性納米結(jié)構(gòu)，德國Helmholtz Zentrum Berlin的研究人員實(shí)現(xiàn)了29.8%的認(rèn)證效率。

這是串聯(lián)太陽能電池效率的世界紀(jì)錄，直到今年7月，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的研究人員略微超過這一紀(jì)錄，創(chuàng)下31%的新紀(jì)錄。然而，德國團(tuán)隊(duì)在《自然納米技術(shù)（Nature Nanotechnology）》最近的一篇論文中詳細(xì)介紹了他們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)里程碑式的效率，以及如何進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦太陽能技術(shù)的前景。

硅太陽能電池的理論效率極限約為29%，目前最好的電池的效率僅低于27%。由III-V族半導(dǎo)體制成的太陽能電池可以實(shí)現(xiàn)高于30%的效率，但這些材料昂貴且難以加工。

串聯(lián)電池，其中硅被容易制造的光伏鈣鈦礦覆蓋，提供了一種至少在理論上以低成本實(shí)現(xiàn)40%以上效率的方法，而不需要完全不同的制造設(shè)施。

到目前為止，研究這種串聯(lián)裝置的團(tuán)隊(duì)一直試圖通過調(diào)整鈣鈦礦的化學(xué)成分、制作更好更均勻的層、改善兩個(gè)材料層之間的接觸以及其他技巧來獲得每一點(diǎn)效率增益。

德國團(tuán)隊(duì)和緊隨其后的瑞士團(tuán)隊(duì)通過在硅表面創(chuàng)造紋理來提高效率。Helmholtz Zentrum的研究員、這篇新論文的第一作者Philipp Tockhorn表示，對太陽能電池進(jìn)行紋理化可以減少反射損耗，從而增加設(shè)備產(chǎn)生的電流?！凹y理對于充分利用鈣鈦礦-硅串聯(lián)太陽能電池的光學(xué)潛力并將光學(xué)損耗降至最低至關(guān)重要?！?/p>

純硅電池紋理的標(biāo)準(zhǔn)方法是創(chuàng)建幾微米大小的隨機(jī)金字塔結(jié)構(gòu)。但Tockhorn說，這對串聯(lián)電池不起作用，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)金字塔結(jié)構(gòu)的高度超過了鈣鈦礦層的厚度。為了克服這一問題，研究人員試圖改變鈣鈦礦沉積方法，同時(shí)保持金字塔結(jié)構(gòu)不變，或者嘗試調(diào)整金字塔結(jié)構(gòu)，以更容易地在其上沉積鈣鈦礦溶液。他說：“要完全覆蓋紋理而不出現(xiàn)針孔是一個(gè)挑戰(zhàn)，這會(huì)降低性能?！?/p>

瑞士EPFL團(tuán)隊(duì)的解決方案是使用與金字塔紋理硅表面兼容的混合蒸汽/溶液處理技術(shù)。他們制造了一個(gè)1平方厘米的太陽能電池，其能量轉(zhuǎn)換效率為31.25%。

但Tockhorn和他的同事決定研究更淺的納米結(jié)構(gòu)?；谥暗膶?shí)驗(yàn)工作和光學(xué)模擬的支持，該團(tuán)隊(duì)決定采用六邊形排列的正弦設(shè)計(jì)。他說，這些納米結(jié)構(gòu)可以很容易地涂上鈣鈦礦，而不會(huì)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)量串聯(lián)太陽能電池的產(chǎn)量。這是因?yàn)榧y理化的表面比平坦的硅表面更好地保留了鈣鈦礦溶液，從而形成了質(zhì)量更好的鈣鈦礦膜。在45個(gè)納米紋理的串聯(lián)太陽能電池中，只有兩個(gè)在鈣鈦礦涂層后有可見的孔，產(chǎn)量約為95%。平面器件的產(chǎn)率為50%：30個(gè)器件中有15個(gè)顯示出宏觀空穴。

該德國小組使用紫外納米壓印光刻和蝕刻來制造納米結(jié)構(gòu)硅表面。最終的鈣鈦礦硅電池尺寸為1平方厘米。Tockhorn說，他們使用的納米壓印技術(shù)相對容易擴(kuò)展到大面積?！皩W(xué)術(shù)界的許多研究人員認(rèn)為納米壓印光刻技術(shù)是一種非常有前途的太陽能電池工具，因?yàn)樗诮Y(jié)構(gòu)類型方面非常簡單和通用。”

現(xiàn)在，他們已經(jīng)有了在紋理化的硅片上制作基于溶液的鈣鈦礦層的概念證明，他表示，他們正在努力改進(jìn)器件，以進(jìn)一步提高效率?！拔覀冃枰闇?zhǔn)一個(gè)完全紋理化的鈣鈦礦頂部電池，它在鈣鈦礦和硅之間的界面和正面都有紋理?！?/p>