兩支獨(dú)立研究團(tuán)隊(duì)于7月6日在《科學(xué)》（Science）雜志上分別發(fā)表研究稱，太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率突破了30%大關(guān)——確切地說(shuō)是鈣鈦礦/晶硅疊層太陽(yáng)能電池。
幾十年來(lái)，單晶硅太陽(yáng)能電池一直是光伏行業(yè)的主力，目前的轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到24%以上，但卻受制于29.4%左右的理論效率極限。為了突破這一限制并進(jìn)一步推動(dòng)太陽(yáng)能的利用，科學(xué)家一直在探索新的材料架構(gòu)來(lái)革新器件，包括將兩個(gè)或更多的太陽(yáng)能電池串聯(lián)起來(lái)。
而鈣鈦礦太陽(yáng)能電池自2009年首次出現(xiàn)以來(lái)，就受到了廣泛關(guān)注。一方面，它在努力提高光電轉(zhuǎn)換效率，以便擠進(jìn)現(xiàn)有的、以硅為主的光伏市場(chǎng)，另一方面又在嘗試與硅聯(lián)合，形成一種新的電池——鈣鈦礦/晶硅疊層太陽(yáng)能電池。
在這種疊層電池中，鈣鈦礦子電池會(huì)沉積在晶硅子電池的上方，“二者可以有效捕獲太陽(yáng)光譜的不同部分，從而更好地利用太陽(yáng)能。”瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的秦心宇（其中一項(xiàng)新研究的第一作者及通訊作者）說(shuō)。例如，相比于硅，鈣鈦礦材料能夠利用藍(lán)光或紫外光等能量較高的部分。這樣一來(lái)，“通過(guò)結(jié)合兩個(gè)子電池的輸出，疊層電池就能實(shí)現(xiàn)比單結(jié)電池更高的能量輸出。”
不過(guò)，目前鈣鈦礦/晶硅疊層太陽(yáng)能電池還面臨著一些關(guān)鍵的挑戰(zhàn)，其中之一是鈣鈦礦子電池的頂面與電子傳輸層之間的界面處會(huì)發(fā)生復(fù)合損失（recombination losses）。“復(fù)合損失是指光生載流子（電子和空穴）在被收集和利用之前又重新組合在了一起，從而導(dǎo)致效率損失。” 秦心宇解釋道。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，秦心宇等人通過(guò)引入一種基于磷酸的添加劑來(lái)調(diào)節(jié)鈣鈦礦的結(jié)晶過(guò)程。結(jié)果顯示，這種方法可以有效鈍化鈣鈦礦層與電子傳輸層間的界面，從而降低會(huì)影響電池整體性能的復(fù)合損失。由此產(chǎn)生的鈣鈦礦/晶硅疊層太陽(yáng)能電池經(jīng)認(rèn)證后的光電轉(zhuǎn)換效率為31.25%——超過(guò)了30%。“這再次證實(shí)了疊層太陽(yáng)能電池技術(shù)的巨大潛力，”秦心宇說(shuō)。
南京大學(xué)譚海仁課題組的孔文池（未參與這兩項(xiàng)新研究）也對(duì)此評(píng)價(jià)道：“疊層電池的效率已經(jīng)超過(guò)了單結(jié)太陽(yáng)能電池的理論效率極限，對(duì)推動(dòng)光伏事業(yè)的發(fā)展具有非常重要的意義。”今年1月，譚海仁團(tuán)隊(duì)與合作者在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）雜志上發(fā)表了一項(xiàng)研究，開(kāi)發(fā)了一種有機(jī)陰離子添加劑輔助鈣鈦礦結(jié)晶的策略，最終實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)28%左右的鈣鈦礦/晶硅疊層太陽(yáng)能電池。
此外，另一項(xiàng)新研究由德國(guó)亥姆霍茲柏林材料與能源中心的史蒂夫·阿爾布雷希特（Steve Albrecht，另一項(xiàng)研究的通訊作者）領(lǐng)導(dǎo)完成。不同于秦心宇團(tuán)隊(duì)的研究，阿爾布雷希特團(tuán)隊(duì)利用的是一種雙功能分子哌嗪碘化物（piperazinium iodide，簡(jiǎn)稱PI），它位于鈣鈦礦層和電子傳輸層之間，主要在這個(gè)界面處發(fā)揮橋梁作用，減少?gòu)?fù)合損失，孔文池說(shuō)。這同時(shí)促進(jìn)了電子傳輸層從鈣鈦礦層中提取電子，進(jìn)而提高電子傳輸效率。這種疊層太陽(yáng)能電池經(jīng)認(rèn)證后的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了32.5%。
值得注意的是，這兩項(xiàng)新研究描述的原型僅限于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，壽命也還并不如意——數(shù)十或數(shù)百小時(shí)后，轉(zhuǎn)換效率就會(huì)降到最初的80%。相比之下，目前市場(chǎng)上的單晶硅太陽(yáng)能電池能夠在工作25年后，仍然保持初始效率的85%以上。
秦心宇說(shuō)，他對(duì)這次的突破“并不感到驚訝”，因?yàn)樗麄冎肋@些材料有潛力實(shí)現(xiàn)30%以上的轉(zhuǎn)換效率，而現(xiàn)在得到的結(jié)果確實(shí)證明這種太陽(yáng)能技術(shù)有前景。但要想進(jìn)入光伏市場(chǎng)，還需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善相關(guān)技術(shù)，而這“預(yù)計(jì)可能需要5到10年的時(shí)間”，秦心宇說(shuō)。
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