Science评光伏器件:独霸天下,不如携手同行!
纳米人 纳米人 2019-04-13

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图丨百度图片


硅基太阳能电池坐拥天下,久矣!

钙钛矿太阳能电池窥探天下,亦久矣!

 

硅基太阳能电池想要抵抗后起之秀的最好办法,就是将其纳入麾下;而钙钛矿太阳能电池想要崭露头角的最好办法,就是找到大佬的庇佑。硅模块无法有效吸收蓝光,只能将其转化为热量损耗,而大多数钙钛矿则最善于吸收蓝光。虽然各有心思,但是一拍即合,钙钛矿和硅串联电池亲密合作,开始发挥无穷威力。

 

钙钛矿主要负责吸收高能量的蓝色光子,而硅主要负责吸收低能量的光子。理论上,这种串联电池能够提供双倍的电力。但是,在一个完整的太阳能电池上建造另一个完整的太阳能电池,导致成本和技术难度都增大。除了增加设备建设的费用外,制造商还必须应对实际的技术和工艺挑战,例如串联设备的设计必须保证从两个电池出来的电流量保持一致,否则,总电流就会受到其中电量较弱的电池的限制。

 

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图丨Science

 

怎么办呢?多个研究团队报道了一种更简单,更便宜的串联方式。

 

两年前,吉林大学Hongwei Song带领的研究团队发现,将少量稀土金属镱喷洒到标准的铯和铅基钙钛矿中,可以构建一个结构更简单的钙钛矿/硅串联电池。钙钛矿吸收蓝色光子,激发材料中的电子。有趣的是,但是这些电子没有变成电流,而是立即将能量传递给镱原子,然后镱原子几乎全部发射为近红外光。这些近红外光子进入下方的硅电池中,几乎完全被吸收并有效地转换为电能,并且热量损失很小。在硅顶部有一层粗糙的SiO2保护层,以帮助光进入电池而不是被表面反射。

 

这项研究为钙钛矿串联电池带来了全新的解决方案,不过依然存在问题:这里的钙钛矿是纳米颗粒,但很难在硅电池表面均匀铺设,要想在商业领域开辟新天地,挑战非常严峻。

 

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图丨V. ALTOUNIAN / SCIENCE

 

在上周的美国化学会会议上,Gamelin报道了一个更优化的解决方案。他们使用常见的真空沉积技术,在大约14厘米的硅太阳能电池上形成薄而光滑的镱掺杂钙钛矿层。在由此产生的串联中,钙钛矿吸收的所有蓝光几乎都转换为近红外光子。因此,他预测,这种全新设计的镱掺杂钙钛矿串联的硅电池效率应该能增加19.2%的比例,最终达到32.2%,不过目前还没有正式实验数据予以证实。洛桑瑞士联邦理工学院的光伏专家Michael Graetzel对此大加赞赏,不过他也提出了更多实际存在的问题,譬如,如何将近红外光子逃逸限制在10%以下。

 

目前,Gamelin团队已经成立了一家初创公司BlueDot。虽然英国的Oxford PV和华沙的Saule Technologies已经走在他们前面,但BlueDot相信,这种更简单的串联设计应该使标准硅太阳能电池制造商能够更容易地将钙钛矿纳入其生产线,并帮助钙钛矿实现其最大价值。

 

斗则两伤,和则互利,一山不容二虎的时代已经一去不复返。独霸天下,不如想携手同行,钙钛矿和硅似乎都已经参透了人生!

 

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参考资料:

1. Robert F. Service.Solar cell built for twolooks sweet. Science 2019,364, 116.

https://science.sciencemag.org/content/364/6436/116

2. Robert F. Service.Perovskite solar cellsgear up to go commercial. Science 2016, 354, 1214-1215.

https://science.sciencemag.org/content/354/6317/1214

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