去年三月,Science报道了多伦多大学Edward H. Sargent和阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf合作研究成果,介绍了将溶液处理的微米级钙钛矿顶部电池与完全纹理化的硅异质结底部电池相结合的双叠层电池。近日,两位学者再次合作,于Nature Energy上发表文章,本文将对这一最新成果进行介绍。
▲第一作者:Michele De Bastiani, Alessandro J. Mirabelli & Yi Hou
通讯作者:Edward H. Sargent & Stefaan De Wolf通讯单位:University of Toronto, Toronto, Canada & King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Kingdom of Saudi ArabiaDOI:10.1038/s41560-020-00756-8全球范围内正在进行大量的研究工作以进一步提高钙钛矿基光伏电池的功率转换效率(PCE)。钙钛矿光伏技术的最新进展主要集中在钙钛矿的卓越光电性能以及材料和器件工程技术方面的重要进展,例如稳定化合物的配制以及体缺陷和表面缺陷钝化相关策略。钙钛矿具有高吸收系数、可调节的带隙和出色的缺陷耐受性,使得其在实现高效、多结串联光伏器件方面极具吸引力,尤其以钙钛矿与市场主导的晶体硅(c-Si)太阳能电池技术相结合。PCE是光伏系统中实现低成本电力的关键驱动力,而这种串联将有可能使得c-Si光伏电池的PCE值突破其单结热力学极限的限制。
目前,人们通过增加钙钛矿晶体中溴化物与碘化物的比例来实现带隙接近1.7 eV的单面钙钛矿/ c-Si串联光伏器件。但这可能导致长时间曝光下的相分离,从而导致器件性能下降。1、作者提出了双面钙钛矿/硅串联太阳能电池,并利用反照率(来自环境的漫反射光)来提高其性能,使其性能高于单面钙钛矿/硅串联太阳能电池。
2、实现了单面AM1.5G 1个太阳光照射下的认证PCE> 25%的双面钙钛矿/ c-Si串联太阳能电池,室外测试下其发电密度高达PGD~26 mW cm–2。3、作者对钙钛矿/硅单面和双面户外测试进行比较,证明了串联双面对具有实际相关反射率位置的附加能量产出价值。4、这项工作展示了可使用高性能但价格合理的技术来实现具备PGD达30 mW cm–2的新型高效太阳能电池的潜力。1、由于采用了较窄的钙钛矿带隙,具有透明背电极的器件配置可以依靠反照率来增强底部电池中的电流产生,并同时增强钙钛矿顶部电池中的电流产生。2、研究发现由带隙在1.59–1.62 eV的钙钛矿配置的双面串联器件与单面钙钛矿/ c-Si串联相比,溴化物的含量最小,从而大大减少了与卤化物偏析有关的稳定性问题。▲图2. 双面钙钛矿/ c-Si串联光伏器件光学分析
▲图3. 双面钙钛矿/ c-Si串联光伏器件户外测试
1、作者实验证明了双面配置增强钙钛矿/ c-Si 串联太阳能电池性能的能力。与最近的理论预测相符,有效的双面串联光伏器件需要更窄的钙钛矿带隙来实现电流匹配,且具有接近纯净的碘化物组成,从而提高了双面串联器件的工作稳定性,同时还提高了其能量产出。2、作者研究了各种实际照明和反照率条件下获得最佳电流匹配所需的钙钛矿带隙、比较了暴露在不同反照率下的这些双面串联太阳能电池的性能,并计算了其在不同环境条件下的两个位置的能量产出。▲图4. 双面钙钛矿/ c-Si串联光伏器件的能量产出和分析
1、作者在试验场实验中评估了双面串联太阳能电池的性能,并预测了在不同气候下双面和单面串联配置太阳能电池的能量产出。2、研究发现上述两种情况下,双面串联均优于单面配置,进一步证明了该技术的优势和前景。3、作者认为,下一步将是进一步提高该器件的性能、扩大其技术规模使得该技术更接近光伏市场的应用。https://www.nature.com/articles/s41560-020-00756-8