提高破纪录的钙钛矿的性能/硅串联太阳能电池

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几年的快速发展使得全球研究小组创建越来越高效钙钛矿/硅串联太阳能电池。科学的焦点正在转向更好地理解和控制机制负责这些新类型的光伏发电的令人印象深刻的表现。

基于晶体硅太阳能电池是非常成功的在全球范围内吸收的太阳能光伏(PV)技术和目前光伏市场占据主导地位。绝大多数商业太阳能电池用于太阳能发电站的结果类型和发电使用单一的pn结。

当阳光吸收n型层中的电子(高浓度),电子流动对p型层(相对低浓度的电子)并创建一个可用的电流。

实验室结果的硅太阳能电池的最大效率没有显著增加,尽管持续的研发活动在过去的二十年里。的主要驱动力光伏技术的广泛采用的经济规模。它也提高了制造过程,导致低成本商业光伏模块足够高功率转换效率(PCE)。

基本限制限制能源产量

晶体硅光伏电池的PCE已经开始饱和大约27%由于基本Shockley-Queisser(平方)限制和俄歇复合过程。

平方极限定义的最大太阳能转换效率实现的特定物质(或材料)的组合和基于光子通量之间的细致平衡原理为光伏设备的粒子通量(光子或电子)的设备,限制了结果的PCE至约32%的太阳能电池。欧洲杯足球竞彩

PCE也受到俄歇复合过程的影响,在photo-generated载流子(电子和空穴)重组无辐射(并将能量转移到其他免费的航空公司)。这个过程是一个效率限制损失机制,尤其是在highly-doped(载体密度高)的材料。欧洲杯足球竞彩结果,结果的理论PCE限制太阳能电池减少到大约29%。

有有限的前景推动商业相关光伏技术的PCE坚持增量方法带来了他们目前的晶体硅太阳能电池在光伏市场主导地位。

未来光伏设备需要创新的概念

多结或串联太阳能电池组成的多个吸收层与互补的电子带隙(价带和导带之间的能量差的材料),提供了一个行之有效的途径达到更高的性能。

一些具有不同带隙的半导体层的使用可以减轻损失由于电荷载体热化(将承运人的能量转化为热量)。

串联布置,PV电池的大隙材料吸收高能光子而允许低能光子通过和专心于底层的光伏电池小隙材料制成的。

合并后的PCE的串联细胞增强了收获的高能光子在顶层和低能光子在底层,超过了一个高或窄带隙的PCE的太阳能电池。

定制的钙钛矿材料提高串联太阳能电池的性能欧洲杯足球竞彩

多晶薄膜的金属卤化物钙钛矿半导体最近吸引了注意力,因为低成本光伏材料加工性能由于其解决方案,广谱光吸收、低无辐射复合损失。欧洲杯足球竞彩

钙钛矿是一个家庭的有机-无机杂化材料的晶体结构表示为ABX欧洲杯足球竞彩₃(类似于钛酸钙的比率₃),是一种有机阳离子(带正电的分子),B是一个金属阳离子(通常导致),和X是卤素阴离子(通常带负电荷的分子,碘或溴)。

对串联太阳能电池应用中至关重要的是,可以通过简单的调整钙钛矿能带替换的化学元素,B,晶体结构和X的场所,吸光化合物之间的带隙范围1.18 eV和2.3 eV。

perovskite-based光伏电池都是有前途的候选人用于串联太阳能电池,在那里他们可以搭配完善的晶体硅电池。

破纪录的钙钛矿/硅太阳能电池

史蒂夫·阿尔布雷特教授和他的团队在德国柏林Helmholtz-Zentrum (HZB)是第一个开发和测试硅钙钛矿/串联太阳能电池。

教授2015年,阿尔布雷特的团队展示了一种串联光伏电池PCE的18%以上。在接下来的几年里,从工业和学术界研究小组加入了研发工作后认识到钙钛矿/硅混合动力技术的巨大潜力。

2018年初,钙钛矿/硅串联太阳能电池由英国清洁技术领袖和钙钛矿PV技术先锋,牛津大学光伏,展示了PCE的27%。在今年晚些时候,该公司设备的效率提高到28%。

2020年,HZB团队演示了一个破纪录的钙钛矿/硅串联太阳能电池的效率为29.15%。

2020年12月,牛津PV收回领导与光伏设备显示29.5%的PCE。

这些效率值已经被独立的实验室认证如弗劳恩霍夫研究所太阳能系统(伊势)的弗莱堡,德国,和图中列出的国家可再生能源实验室(NREL)在美国,追踪的效率,自1976年以来几乎所有类型的光伏电池。

Perovskite-based光伏电池在2013年进入图表。自那时以来,这类设备的效率增加速度远远超过传统是从汤姆斯设备。

预期的实际效率限制钙钛矿/硅串联太阳能电池是35%左右,和HZB研究小组目前旨在打破30%效率的障碍。

钙钛矿/硅串联太阳能电池有一个预期的效率极限的35%左右,与研究小组试图打破目前30%的障碍。图片来源:Thongsuk Atiwannakul / Shutterstock.com

国际合作是成功的关键

从考纳斯大学的技术合作伙伴,立陶宛,在德国波茨坦大学在斯洛文尼亚卢布尔雅那大学和谢菲尔德大学在英国,阿尔布雷特教授的研究小组进行了深入的研究采用理论建模、光致发光光谱,电气特性,和太赫兹电导率测量探针的基本流程在钙钛矿之间的界面层和底层晶体硅层。

详细调查允许研究人员查明原因的任何重大电流损失光伏设备性能优化和发展策略。

深入的描述揭示了改进的途径

为钙钛矿半导体层,顶部教授阿尔布雷特的研究小组开发了一种特殊的钙钛矿配方含有混合methylammonium (MA或CH₃NH₃⁺)和formamidinium(足总或北半球₂CH = NH₂⁺)阳离子化合物的一个网站,和混合碘和溴阴离子在X的网站,导致整体Cs的成分_0.05(足总_0.77马_0.23)_0.95Pb(我_0.77Br_0.23)₃和一个能带1.68 eV。

根据研究者的理论模型,这个值可以确保最优分布之间的太阳能吸收钙钛矿和硅层。

研究小组发现,洞(正电荷运营商)提取设备远远低于电子提取,限制了太阳能电池的PCE。

优化的成分和处理更大的效率

与立陶宛的同事合作,阿尔布雷特教授的团队开发了一个界面层组成的小说carbazole-based有机分子与一个甲基取代(Me-4PACz)自组装单分子层在硅和钙钛矿之间的界面层。

这种自组装单层(SAM)提供了一个双重的目的:它大大加速洞运输设备,提高效率,同时加强两层之间的联系,提高光伏电池的长期稳定。硅底电池特性特定二氧化硅表层钙钛矿的最佳光耦合顶层。

测试设备的稳定性,研究人员发现串联太阳能电池保留95%的初始效率在300小时后环境空气没有封装。

所有进程用来实现1厘米²原型PV电池完全可伸缩,适合大面积,轻松地处理未来工业应用的光伏设备。

提高长期稳定的串联太阳能电池

同时,世界各地的研究小组工作小说封装方法来保护环境和增加的钙钛矿层材料的长期稳定。

Anita Ho-Baillie教授领导的研究小组在悉尼大学,澳大利亚,最近开发了一个封装的过程,允许钙钛矿光伏电池通过严格的国际电工委员会首次湿热测试标准。

测试表明,封装的钙钛矿光伏电池能够承受户外操作条件与温度循环重复-40°C到85°C而暴露在85%相对湿度,使钙钛矿的商业可行性/硅串联太阳能电池更近了一步。

引用和进一步阅读

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