Science：新型多材料太阳能电池树立了新的效率标准 诸平 Fig. 1 Left to right: Postdoctoral fellows Erkan Aydin (KAUST), Yi Hou (University of Toronto) and Michele De Bastiani (KAUST) are part of an international team that has designed a new type of tandem solar cell. The device combines industry standard silicon manuf 据加拿大 多伦多大学 ( University of Toronto )2020 年 3 月 5 日提供的消息，多伦多工程大学 ( University of Toronto Engineering ) 和阿卜杜拉国王科技大学（ King Abdullah University of Science and Technology , KAUST ）的研究人员克服了将钙钛矿 (perovskites) 新兴的太阳能收集技术与商业金标准硅太阳能电池相结合的主要障碍。结果得到高效、稳定的串联太阳能电池，这是迄今为止报道的性能最好的串联太阳能电池之一。图 1 是 KAUST 提供的照片，从左到右：博士后研究员 埃尔坎 ·艾丁（ Erkan Aydin ， KAUST ），多伦多大学 侯毅（ Yi Hou 音译， University of Toronto ）和 米歇尔 ·德巴斯蒂尼（ MicheleDe Bastiani , KAUST ）是设计新型串联太阳能电池的国际团队的部分成员。该设备将行业标准的硅制造太阳能电池与新的钙钛矿技术（ perovskite technology ）结合在一起。 相关研究结果于 2020 年 3 月 6 日已经在《科学》（ Science ）杂志网站发表 —— Jixian Xu,Caleb C. Boyd,Zhengshan J. Yu,Axel F. Palmstrom, Daniel J. Witter, Bryon W. Larson, Ryan M. France, Jérémie Werner, Steven P. Harvey, Eli J. Wolf, William Weigand, Salman Manzoor, Maikel F. A. M. van Hest, Joseph J. Berry, Joseph M. Luther, Zachary C. Holman, Michael D. McGehee . Triple-halide wide–band gap perovskites with suppressed phase segregation for efficient tandems . Science , 06 Mar 2020: Vol. 367, Issue 6482, pp. 1097-1104 . DOI: 10.1126/science.aaz5074 参与此研究的除了中国科学技术大学材料科学与工程系，中科院能量转化材料重点实验室（ CAS Key Laboratory of Materials for Energy Conversion, Department of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology of China ）的研究人员之外，还有来自美国科罗拉多大学（ University of Colorado ）、美国国家可再生能源实验室（ National Renewable Energy Laboratory, Golden ）、美国斯坦福大学（ Stanford University ）以及美国亚丽桑那州立大学（ Arizona State University ）的研究人员。作者署名中未见加拿大的研究人员。 在《 科学 》杂志上发表的一篇新论文的资深作者泰德 · 萨金特（ Ted Sargent ）教授说 ： “ 今天， 硅 太阳能电池比以往任何时候都更高效，更便宜。但是，单靠硅的效率是有限的。我们致力于使用串联（两层）方法来克服这些限制。 ” 与硅一样， 钙钛矿晶体 也可以吸收 太阳能 来激发电子，这些电子可以被引导到电路中。但是与硅不同，钙钛矿可以与液体混合以产生可以在表面上印刷的 “ 太阳能油墨 ” 。基于墨水的制造方法（称为溶液处理）已经在 印刷行业中广为采用 ，因此有可能降低制造太阳能电池的成本。 新论文的主要作者，博士后研究员侯毅 说： “ 在有纹理的硅上添加一层 钙钛矿 晶体来制造串联太阳能电池是提高其性能的好方法。 ”“ 但是当前的行业标准是基于晶圆（结晶硅薄板）而设计的，这种晶圆并未考虑到这种方法。 ” 尽管它们看上去很光滑，但用于太阳能电池的标准硅晶片具有约 2 μ m 高的微小锥体结构。不平整的表面使从硅表面反射的光量最小化，并提高了整体效率，但也使得难以在其上涂覆均匀的钙钛矿层。 侯毅 说： “ 以前的大多数串联电池都是通过先抛光硅表面使其光滑然后再添加钙钛矿层而制成的。 ”“ 这行得通，但要额外付费。 ” 侯毅 和团队的其他成员，包括泰德 · 萨金特和 KAUST 教授斯特凡 · 德 · 沃尔夫 （ Stefaan De Wolf ），采取了不同的方法。他们增加了钙钛矿层的厚度，使其高到足以覆盖由金字塔结构产生的峰和谷。 研究小组发现，山谷中的钙钛矿产生了一个电场，该电场将钙钛矿层中产生的电子与硅层中产生的电子分开。这种类型的电荷分离是有益的，因为它增加了激发的电荷将流入电路而不是电池其他部分的机会。 该团队通过将钙钛矿晶体涂覆在由 1- 丁烷硫醇（ 1-butanethiol ，一种常见的工业化学品）制成的 “ 钝化层（ passivation layer ） ” 中，进一步增强了电荷分离。 经过德国弗劳恩霍夫太阳能研究所（ Fraunhofer Institute for Solar Energy in Freiburg, Germany ）的独立外部实验室 检验，串联太阳能 电池 的效率达到了 25.7 ％。这是有史以来针对此类设计的最高效率之一。它们也很稳定，可以承受高达 85 ℃ 的温度超过 400 小时，而不会 显著降低性能。 侯毅 说： “ 事实上，我们可以在不修改硅片的情况下完成所有这些工作，这是一个即插即用的解决方案。 ”“ 行业可以应用此方法，而不必对其现有流程进行昂贵的更改。 ” 侯毅 和团队正在继续改进设计，包括将稳定性提高到 1,000 小时 ，这是一项行业基准。 侯毅 说： “ 我们为这项合作取得的创纪录业绩感到非常自豪，但这仅仅是个开始。 ”“ 通过克服串联 太阳能电池 的关键限制，我们为更大的收益奠定了基础。 ” 斯特凡 · 德 · 沃尔夫说： “ 我们的方法为硅光伏产业打开了一扇大门，可以充分利用钙钛矿技术迄今取得的巨大进步。 ”“ 这可以以较低的成本将性能更高的光伏面板推向市场。 ” 更多信息请注意浏览原文或者相关报道。 石墨烯，钙钛矿和硅 - 高效太阳能电池的理想串联 （ Graphene, perovskites, and silicon—an ideal tandem for efficient solar cells ）等。 Tuning band gaps with three halides Tandem solar cells can boost solar cell efficiency by using two active layers to absorb the solar spectrum more completely, provided that the two cells are current-matched. Inorganic-organic perovskites tuned to the appropriate wide band gap (～1.7 electron volts) as top cells that contained iodine and bromine or bromine and chlorine have short carrier diffusion lengths and undergo photo-induced phase segregation. Xuet al.now report a method for incorporating chloride that allows for fabrication of stable triple-halide perovskites with a band gap of 1.67 electron volts. Two-terminal tandem silicon solar cells made with this material had a power conversion efficiency of 27%. Science, this issue p. 1097 Abstract Wide–band gap metal halide perovskites are promising semiconductors to pair with silicon in tandem solar cells to pursue the goal of achieving power conversion efficiency (PCE) greater than 30% at low cost. However, wide–band gap perovskite solar cells have been fundamentally limited by photoinduced phase segregation and low open-circuit voltage. We report efficient 1.67–electron volt wide–band gap perovskite top cells using triple-halide alloys (chlorine, bromine, iodine) to tailor the band gap and stabilize the semiconductor under illumination. We show a factor of 2 increase in photocarrier lifetime and charge-carrier mobility that resulted from enhancing the solubility of chlorine by replacing some of the iodine with bromine to shrink the lattice parameter. We observed a suppression of light-induced phase segregation in films even at 100-sun illumination intensity and less than 4% degradation in semitransparent top cells after 1000 hours of maximum power point (MPP) operation at 60 ℃ . By integrating these top cells with silicon bottom cells, we achieved a PCE of 27% in two-terminal monolithic tandems with an area of 1 square centimeter.
据物理学家组织网（ Phys.org ） 2 013 年 2 月 20 日 报道，美国加州理工学院（ California Institute of Technology ）、美国国家标准技术局（ National Institute of Standards and Technology ）、马里兰大学（ University of Maryland ）、 美国波音－光谱实验室 (Boeing-Spectrolab Inc.) 的科学家联合开发出一种多结太阳能电池，其转化效率超过 50%，达到51.8%；而之前的3结太阳能电池的转化效率仅仅只有43.5% 。此项研究结果已经在一个月前（2013-01-22）在《应用物理快报》（APPLIED PHYSICS LETTERS）杂志网站发表，详见： http://doc.sciencenet.cn/DocInfo.aspx?id=16905 或者 Multijunction solar cell could exceed 50% efficiency goal February 20, 2013 by Lisa Zyga The new multijunction solar cell design has three subcells that each have different band gaps to absorb different parts of the solar spectrum. The scientists focused on improving the current match and the lattice match among the subcells to achieve the highest simulated efficiency for this type of solar cell to date. Credit: Marina S. Leite, et al. 2013 American Institute of Physics (Phys.org)—Scientists have designed a new multijunction solar cell that, in simulations, can achieve an efficiency of 51.8%. This high performance exceeds the current goal of 50% efficiency in multijunction solar cell research as well as the current world record of 43.5% for a 3-junction solar cell. http://phys.org/news/2013-02-multijunction-solar-cell-efficiency-goal.html#nwlt 相关博文： 转化效率突破50%的新型太阳能电池 20.4%：CIGS太阳能电池的转化效率又创世界新纪录 三层复合太阳能电池 创转换效率新记录 夹心式纳米结构太阳能电池，效率提高175% 高效率量子点太阳能电池，EQE=114% 18.2%：纳米结构太阳能电池转化效率的新突破 ZnO纳米线太阳能电池的最新进展 物理学家创石墨烯太阳能电池效率新纪录
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