提高太陽(yáng)能電池的功率轉(zhuǎn)換效率很重要，原因有二。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這是降低平準(zhǔn)化電力成本的最有效途徑。在短期內(nèi)，這是在空間有限的應(yīng)用(例如，屋頂、外墻、車輛甚至無(wú)人機(jī))中推廣光伏的最佳方式。

然而，所有太陽(yáng)能電池從根本上受到制造材料的限制，這反過(guò)來(lái)又影響了它們可以實(shí)現(xiàn)的效率。迄今為止，采用最多的太陽(yáng)能電池技術(shù)是由硅制成的。但盡管硅取得了成功，它的理論效率極限約為29%。該技術(shù)目前的效率略低于27%，為未來(lái)的效率提升留下了非常小的余地。

在超越這一限制的創(chuàng)新競(jìng)賽中，科學(xué)家們?cè)诠柚刑砑恿艘粋€(gè)(或多個(gè))互補(bǔ)太陽(yáng)能電池，以形成“串聯(lián)”太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)的較高能量可見(jiàn)光被頂部電池吸收，而較低能量的紅外光被串聯(lián)后部的硅電池吸收。鹵化物鈣鈦礦已被確定為硅的理想合作伙伴，因?yàn)榕c單獨(dú)的硅相比，它們可以更有效地將可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換為電能，而不會(huì)過(guò)度增加制造成本。

雙倍世界紀(jì)錄成功

“我們已經(jīng)克服了心理障礙，”EPFL光伏實(shí)驗(yàn)室和CSEM可持續(xù)能源中心負(fù)責(zé)人ChristopheBallif說(shuō)。“我們已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了硅上鈣鈦礦串聯(lián)的高效潛力。其他類型的材料(即III-V半導(dǎo)體)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了30%的效率標(biāo)記。但是，這些材料和用于制造它們的工藝過(guò)于昂貴，無(wú)法維持能源轉(zhuǎn)型——這些設(shè)備比硅太陽(yáng)能電池貴一千倍。我們的研究結(jié)果首次表明，使用低成本材料和工藝可以克服30%的障礙，這應(yīng)該會(huì)開(kāi)辟新的前景為光伏的未來(lái)。”

來(lái)自納沙泰爾的研究人員成功地提高了兩種硅鈣鈦礦串聯(lián)的效率。

首先，他們采用材料和制造技術(shù)，在平坦的硅表面上從溶液中沉積高質(zhì)量的鈣鈦礦層，1cm2太陽(yáng)能電池的功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到30.93%。其次，通過(guò)研究一種與紋理硅表面兼容的新型混合蒸汽/溶液處理技術(shù)，他們生產(chǎn)出了一種太陽(yáng)能電池，其功率轉(zhuǎn)換效率為31.25%(同樣為1cm2)。

這些結(jié)果構(gòu)成了兩項(xiàng)新的世界紀(jì)錄：一項(xiàng)是平面設(shè)備架構(gòu)，一項(xiàng)是紋理設(shè)備架構(gòu)。后一種方法提供更高的電流并且與當(dāng)前工業(yè)硅太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)兼容。此前，鈣鈦礦-硅串聯(lián)太陽(yáng)能電池的效率轉(zhuǎn)換記錄是由柏林亥姆霍茲中心的一個(gè)團(tuán)隊(duì)于2021年創(chuàng)下的，該團(tuán)隊(duì)達(dá)到了29.8%。EPFL和CSEM的新記錄由美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)獨(dú)立認(rèn)證。

前途光明

CSEM的QuentinJeangros指出：“這些高效成果現(xiàn)在需要進(jìn)一步的研發(fā)，以允許它們擴(kuò)大到更大的表面積，并確保這些新電池能夠在我們的屋頂和其他地方在標(biāo)準(zhǔn)壽命內(nèi)保持穩(wěn)定的功率輸出。”

“據(jù)說(shuō)串聯(lián)鈣鈦礦硅技術(shù)有可能超過(guò)30%的效率基準(zhǔn)，但這是第一次證明這種長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的潛力，這有望為更便宜的可持續(xù)電力鋪平道路。未來(lái)，”EPFL的ChristianWolff總結(jié)道。