近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所薄膜硅太陽電池研究組（DNL1606）劉生忠研究員團隊聯(lián)合陜西師范大學(xué)楊棟研究員，通過將半透明鈣鈦礦電池與高效硅異質(zhì)結(jié)薄膜電池結(jié)合，組成光電轉(zhuǎn)化效率達到27.0%的四端鈣鈦礦-硅疊層太陽能電池。

晶硅太陽能電池是第一代太陽能電池，經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)非常成熟。目前，95%的光伏市場份額被晶硅太陽能電池所占據(jù)。實驗室報導(dǎo)的最好的晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達到26.6%，非常接近它的理論光電轉(zhuǎn)化效率極限29.4%。在物理法則下，晶硅電池的效率提升之路正變得越來越窄。為了實現(xiàn)更高的光電轉(zhuǎn)換效率，越來越多的研究開始關(guān)注將晶硅電池與其它的高效率電池組成疊層電池。

鈣鈦礦電池是近幾年發(fā)展起來的第三代太陽能電池，它具有原料豐富、成本低、制備工藝簡單、對缺陷的容忍性好等優(yōu)點。目前，實驗室報導(dǎo)的鈣鈦礦電池光電轉(zhuǎn)換效率已超過24%。鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)通式是ABX3，A位通常是正一價的有機陽離子CH3NH3+、NH=CHNH3+或者無機Cs+離子等，B位通常是正二價金屬陽離子Pb2+、Sn2+等。X通常是鹵素陰離子I-、Br-、Cl-等。通過離子替換，鈣鈦礦的帶隙可以在1.4到2.3 eV之間靈活調(diào)節(jié)，使它成為非常理想的疊層電池子電池材料。

疊層電池由一個高帶隙子電池和一個低帶隙子電池組成。低帶隙子電池拓寬了太陽光光子的利用率；高帶隙子電池減少了半導(dǎo)體捕獲高能光子后電子躍遷后馳豫過程的熱能損失。因此疊層電池具有比單結(jié)電池更高的極限光電轉(zhuǎn)化效率。得到高效率的疊層太陽能電池的關(guān)鍵之一是在溫和條件下制備透明電極，即在不傷害底層材料的前提下，制備兼具高導(dǎo)電性和高透光性的電極。

該團隊使用真空熱蒸發(fā)沉積薄膜的方法，以三氧化鉬/金納米網(wǎng)/三氧化鉬“三明治結(jié)構(gòu)”作為透明電極，替換掉傳統(tǒng)鈣鈦礦電池中的金屬背電極。制備的半透明鈣鈦礦太陽能電池具有18.3%的光電轉(zhuǎn)化效率，這是目前使用超薄金屬制備的半透明鈣鈦礦電池的最高效率之一。將此半透明鈣鈦礦太陽能電池與光電轉(zhuǎn)化效率23.3%的硅異質(zhì)結(jié)薄膜電池結(jié)合，得到了光電轉(zhuǎn)換效率27.0%的四端疊層太陽能電池。

本項研究使用了一種簡單低成本的方法制備高導(dǎo)電性、高透光性的透明電極，有助于推動半透明電池以及多結(jié)/疊層電池的發(fā)展，降低光伏發(fā)電的成本。相關(guān)成果發(fā)表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國國家重點研究與發(fā)展計劃、陜西省科技創(chuàng)新引導(dǎo)等項目的資助。

來源:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所 作者:段連杰 王子瑜