钙钛矿提高太阳能电池效率

shuszhao · 发表于 2019-1-18 08:50:56

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钙钛矿太阳能电池的寿命和转换效率可望持续提高，一旦铅问题也解决了，钙钛矿材料将有助于提高太阳能电池的性能，促进可再生能源的利用……
太阳能电池(solar cell)已经出现许多年了，但至今尚未能对于整体电力生产带来重大贡献。近年来，太阳能电厂虽然如雨后春笋般涌现，但可能造成环境污染的化石燃料仍然占据主导地位。尽管如此，对于如何为太阳能电池提高能源效率和成本的研究仍在持续进行中。

2018年7月，Imec和EnergyVille宣布共同开发的太阳能电池达到了27.1%的效率新高记录。预计在本文发表之际，这项记录可能还会有新的突破。事实上，根据Imec指出，研究人员采用钙钛矿搭配硅晶太阳能电池的方法，已经达到30%的效率了。

钙钛矿是什么？
钙钛矿是一种与钛酸钙(calcium titanite)具有相同晶体结构的材料。研究人员将钙钛矿材料配置于硅晶太阳能电池的顶部，藉由使硅的热化损耗降至最低，同时从阳光中发电，从而提高了效率。Imec/Energyville研究员Manoj Jaysankar表示，「钙钛矿预计将成为目前硅晶太阳能电池的附加价值，它不但显著提高了效率，而且仅增加了一点点的成本。」

「钙钛矿极具发展前景，因为它具有优质的电气特性——就像硅(Si)或砷化镓(GaAs)的表现一样出色，加上它的材料成本低、太阳能电池的制造成本低，而且由于是一种薄膜技术，因而也可以在软性基板上制造。」Manoj并补充说：「尽管钙钛矿太阳能电池的电气性能相当于现有的太阳能电池技术，但我们并不希望它取代现有技术，而是期待它能在软性、建筑物整合等新市场发挥作用。」

研究人员使用自旋涂布技术——这只是几种可能的技术之一——将液态钙钛矿材料沉积在基板上，此外，还使用了刮刀式涂布、点滑涂布和喷墨印刷等方法。为了达到27.1%的效率，研究人员在4 cm²的硅晶太阳能电池顶部添加了一个0.13cm²的自旋涂布钙钛矿电池。由于效率随着电池尺寸的增加而降低，当钙钛矿模块尺寸增加4 cm²并置于4 cm²的硅晶电池上时，所测得的效率下降至25.3%。即使以这样的尺寸来看，这种组合式太阳能电池的效率仍然超过独立型的硅晶电池。

Imec研究人员打造了一个四端的太阳能电池，如图1所示。顶部是钙钛矿太阳能电池，透过光学耦合至底下的硅晶电池，并分别提取来自两个电池的电量。钙钛矿和硅晶的结合提高了整体转换效率。根据Manoj表示，独立型硅晶电池的效率为23%。此外，还有串联太阳能电池的双端版本，其中顶部和底部电池的电量可加以整合。虽然这确实减少了提取电量所需的电子组件数，但是由于一天中不同时间的可变光谱范围，导致其产生的电量较低。采用四端配置的两个电池则仅以光学方式连接。从这些和之前的研究结果来看，效率增益似乎更胜于太阳能电池及其电子装置的额外增加的制造成本。

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图1：Imec研究人员采用由钙钛矿(顶部)结合硅晶(底部)组成的太阳能电池。两种电池之间透过光学耦合，带来比单硅晶电池更高的电源转换效率（来源：Imec）

Imec的测试设置
Imec研究人员以图2的配置测试电池。完整的测试配置包括经校准的「太阳仿真器」和Keithley数字电表(SourceMeter)。仿真器以1000W/m2的光量照射太阳能电池，而SourceMeter则用于测量电池的电输出(电压和电流)。商业软件与SourceMeter进行通讯，并显示输出和计算效率。在此设置中，SourceMeter仅用于作为测量仪器。

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图2：Imec的测试设置采用校准的太阳仿真器照射待测电池（来源：Imec）

Manoj解释这一测试程序：

对组件进行高达2V的电压扫描；
测量每个电压下的电流，以获得太阳能电池的I-V特性；
从I-V曲线中提取短路电流密度、开路电压和填充系数。
软件计算电池上的I-V曲线，以找到最大功率点，它通常出现在曲线的转折处(如图3)。

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图3：太阳能电池I-V曲线上的最大功率点通常发生在转折处

输出电流的密度通常为几十毫安(mA)/ cm²，而电压输出则可达到2.2V (硅晶电池为0.7V，钙钛矿为1.5V)。

效率 = 短路电流密度 × 开路电压 × 填充系数

钙钛矿问题
如同任何新技术一样，钙钛矿增强型太阳能电池也存在一些问题。最主要的顾虑就在于铅的存在。虽然太阳能电池中的铅不像油漆中的铅那么容易接近，但化学家和物理学家仍然必须解决这个问题。

寿命短是一开始就已经出现的另一个问题。早期的钙钛矿材料在几分钟内就会失去其晶体结构。而今，其结构的稳定性已能持续数千小时，因为研究人员已经找到了更好的材料配方，为其带来更高的稳定性，同时维持提高功率效率所需的吸收能力。寿命和转换效率可望持续提高，一旦铅问题解决了，钙钛矿材料将有助于提升太阳能电池性能，促进可再生能源的利用。