?我國是太陽能清潔能源的需求大國，但是土地資源寶貴。因此, 如果能使用相同的光伏系統(tǒng)占地面積，在現(xiàn)有晶硅電池的基礎(chǔ)上提高30%的發(fā)電量將具有重要經(jīng)濟(jì)和社會效益，也是太陽能研究人員和光伏工業(yè)界長期追求的目標(biāo)。

近日，美國科羅拉多大學(xué)Mike McGehee教授和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院材料系，中科院能量轉(zhuǎn)換材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）徐集賢教授以聯(lián)合通訊的方式發(fā)表了晶硅-鈣鈦礦二端疊層太陽能電池的重要進(jìn)展。通過使用改進(jìn)的鈣鈦礦光伏薄膜與效率為~21%的晶硅電池進(jìn)行光電耦合，將太陽能轉(zhuǎn)換效率提高到27%（圖1），證明了使用疊層技術(shù)大幅突破硅電池理論極限的可行性和巨大前景。成果以“Triple-halide wide–band gap perovskites with suppressed phase segregation for efficient tandems”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)雜志《Science》上。

圖1.  硅基-鈣鈦礦二端疊層電池的結(jié)構(gòu)和光伏效率。（A）結(jié)構(gòu)示意；（B）器件剖面的電子顯微圖像；（C）光伏曲線；（D）上下兩節(jié)電池的光譜響應(yīng)曲線。

傳統(tǒng)晶硅電池可以吸收太陽光中的可見光和近紅外光并轉(zhuǎn)換為電能，但是可見區(qū)的光子存在熱弛豫現(xiàn)象而導(dǎo)致一部分能量以熱能形式損失。使用疊層電池技術(shù)，在晶硅電池表面直接制備可以高效轉(zhuǎn)換可見光的鈣鈦礦多晶薄膜器件，而硅電池只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換從鈣鈦礦薄膜透過的紅外光，二者配合在理論上可以將光伏效率提升到40%以上。當(dāng)前的挑戰(zhàn)是，寬帶隙的金屬-鹵化物鈣鈦礦在光照下由于離子運(yùn)動存在鹵素I和Br相的“光致相分離”問題，這減小了光伏轉(zhuǎn)換電壓和穩(wěn)定性。針對這一難題，研究人員通過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：通過適當(dāng)引入Cs和Br離子調(diào)節(jié)晶格，是可以進(jìn)一步引入Cl離子相形成穩(wěn)定的I/Br/Cl三相合金，而且引入的Cl相可以進(jìn)一步有效提高鈣鈦礦的吸收帶隙。而以往的研究認(rèn)為Cl相很難被引入鈣鈦礦合金，而且不能有效調(diào)節(jié)鈣鈦礦帶隙，因此該發(fā)現(xiàn)有助于人們更深刻的認(rèn)識金屬-鹵素鈣鈦礦的三相合金空間。I/Br/Cl三鹵素合金的新型鈣鈦礦有效抑制了“光致相分離”問題，可以在100倍太陽的高強(qiáng)度照射下保持相穩(wěn)定，這也為進(jìn)一步開展聚光光伏提供了可能（圖2）。

圖 2.  傳統(tǒng)I/Br合金鈣鈦礦在（A）10倍太陽和（B）100倍太陽強(qiáng)度下出現(xiàn)熒光紅移，即相分離；新型I/Br/Cl合金鈣鈦礦在（D）10倍太陽和（E）100倍太陽強(qiáng)度下熒光不僅沒有紅移而且出現(xiàn)藍(lán)移，即保持了相穩(wěn)定。

由I/Br/Cl三鹵素合金鈣鈦礦薄膜構(gòu)建的疊層電池的電壓接近1.9V，是當(dāng)前文獻(xiàn)報(bào)告的最好結(jié)果。改進(jìn)的鈣鈦礦電池在60攝氏度下的最大功率點(diǎn)連續(xù)測試1000個小時(shí)效率損失低于4%。為了進(jìn)一步邁向?qū)嵱没?，硅?鈣鈦礦二端疊層電池還需要繼續(xù)提高轉(zhuǎn)換效率（>30%），并實(shí)現(xiàn)更長期的穩(wěn)定性。

科羅拉多大學(xué)博德分校為論文的第一單位，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)為合作單位。徐集賢教授為論文的共同通訊作者和共同第一作者。其他合作單位還包括美國斯坦福大學(xué)、美國亞利桑那州立大學(xué)、美國新能源國家實(shí)驗(yàn)室。

論文鏈接：

Jixian Xu et al. Triple-halide wide–band gap perovskites with suppressed phase segregation for efficient tandems, Science, 367 : 1097（2020）.

DOI: 10.1126/science.aaz5074.

https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1097.