硅基电池和钙钛矿层组成的世界上转化效率最高的串联太阳能电池

由硅基电池和钙钛矿层组成的世界上转化效率最高的串联太阳能电池。

上周四，Science发表了一篇题为“系列力量”的重要文章，介绍了科学家如何将大约三分之一的太阳转化为电能，从而创造了提高太阳能电池转化效率的纪录。

01

钙钛矿是新能源的“蓝光”

钙钛矿电池结构

今天光伏组件使用的硅基电池正迅速接近天花板，它将阳光转化为电能的最大转换率—— 29%。

经过世界各地多个研究小组的创新，太阳能电池突破了30%光电转换效率的重要门槛。一位专家表示，这一壮举有望成为今年“革命性”的一年。

上周四，《科学》杂志专门介绍了沙特阿拉伯两位科学家如何将钙钛矿-硅串联太阳能电池的功率转换效率（PCE）达到>30%的方法。

KAUST 研究科学家 Erkan Aydin 博士展示了他与研究人员团队开发的钙钛矿/硅串联太阳能电池。图片:阿卜杜拉国王科技大学

提高太阳能电池效率的一种方法是优化它，使它适应太阳光的宽光谱，并将其转化为电能。在这种情况下，串联太阳能电池可以包括吸收高能光子的顶部电池和吸收低能光子的底部电池。该装置可制成多层堆叠，顶部和底部电池相互连接。将钙钛矿太阳能电池和硅太阳能电池单片集成到串联装置中，是实现高性能光伏的一种有前途的方式，成本可承受。

钙钛矿堆叠电池的突破在于在硅层顶部添加一层钙钛矿（另一个半导体）。钙钛矿负责捕获可见光谱中的蓝光，而硅捕获红光，从而增加捕获的总光量。由于每个电池吸收的能量更多，太阳能发电的成本更低，安装速度更快。

钙钛矿-硅“串联”电池的研究已经进行了大约十年，但最近的技术改进取得了突破 30%的转化效率门槛。专家表示，如果串联电池的生产规模能够顺利扩大，它们可能会在未来五年投入商业使用。

“今年是革命性的一年，”斯特凡·德沃尔夫是沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的共同作者（Stefaan De Wolf）教授说：“令人兴奋的是，多个群体的事情进展迅速。”

Steve由德国海姆霍兹柏林材料和能源中心组成 Albrecht 一个由教授领导的研究小组已经发布了如何提高硅钙钛矿电池的效率 32.5% 的信息。

瑞士洛桑联邦理工学院 Xin Yu Chin 另一个博士领导小组展示了31.25% 串联电池具有“高效率、低制造成本的潜力”。

德沃尔夫说：“这两个小组确实具有里程碑意义。他自己的团队在 6 本月使用串联电池实现 33.7% 但是效率还没有在期刊上公布。所有效率测量都经过了独立验证。

“突破 30% 德沃尔夫说：“门槛让我们有信心将高性能、低成本的光伏产品推向市场。到 2022 年，全球太阳能发电容量已达到 1.2 太瓦 (TW)。“然而，为了避免与全球变暖相关的灾难性场景，到 2050 年总容量需要增加到约需要 75 他说：“太瓦。

太阳能产业也是高效竞争的一部分。

隆基绿能是世界上最大的太阳能电池制造商，6月份宣布其研究成果已达到33.5%。隆基总裁李振国表示：“降低电力成本是促进光伏产业发展的永恒主题。”。

”这个行业发展非常非常快。“我相信中国有很多公司都在这里。” 他说，欧洲和美国需要增加研发资金，以跟上太阳能发电的加速发展，并为其做出贡献。

到目前为止，所有效率超过30%的高效串联电池都很小，尺寸为1cm×1cm。它们现在需要扩展到商业电池的大小，即15 平方厘米。

牛津光伏，英国公司（Oxford PV）在今年5 本月宣布，其商业规模电池的效率已达到创纪录 28.6%，这意味着扩大规模已经开始。

牛津光伏（Oxford PV）首席技术官 Chris Case “太阳能已经是最便宜、最清洁的能源形式之一，我们的技术将使它更经济。”牛津光伏电池与传统硅基电池在同一生产线上制造，使串联电池更容易大规模生产。

一个需要解决的问题是，随着时间的推移，串联电池降解速度有多快。今天的太阳能电池 25 年后仍具有 80-90% 德沃尔夫表示，串联电池必须与之相匹配，但到目前为止，关于其稳定性的数据有限。

提高德国和瑞士串联电池效率的关键是解决钙钛矿层表面的小缺陷。一些允许太阳光子释放的电子流回钙钛矿，而不是贡献电池的电流，从而降低其效率。解决方案是在钙钛矿和电流过的导电层之间放置一层有机分子，以补偿缺陷。

德沃尔夫说，值得注意的是，所有的团队都使用不同的方法来解决这个问题，并为寻找最佳的商业设计提供了更多的选择。”还有很大的进步空间，”他说。“我认为实际的限制远远超过了 35%。”

目前还有其他技术，比如多结电池，效率高达 47%，但这些技术的生产成本非常昂贵，只适用于卫星等特定用途。

02

双结电池，光伏的未来

很多人可能对双结电池感到陌生。事实上，由HJT和钙钛矿组成的叠层电池是最常见的双结电池。

如果不考虑成本，只考虑冲刺实验室数据，理论上光伏电池的“结”数量可以很多，很难触及转换效率的天花板。

科学家John，六结太阳能电池的发明者 Geisz(左)和Ryan France

早在2020年4月，美国国家可再生能源实验室 (NREL) 科学家们创造了一种转化效率高的六结太阳能电池 47.1%，这是迄今为止上述光伏电池的最高纪录。

众所周知，单晶硅电池的效率极限为28.7%。然而，在过去的两年里，来自世界各地的知名实验室多次报道电池转换效率超过30%的消息。包括:

2021年，美国能源部国家可再生能源实验室 (NREL) 与新南威尔士大学的研究人员一起，创建了一个具有两个吸光层的电池，可以使32.9% 阳光转化为电。

2022年9月，荷兰应用科学研究组织（TNO）、Imec代尔夫特理工大学、埃因霍温理工大学和比利时研究机构将半透明钙钛矿太阳能电池与晶体硅结合，实现30.1% 功率转换效率。该电池也是四端串联配置的太阳能电池。

今年四月，阿卜杜拉国王科技大学 (KAUST) Erkan Aydin 开发出33.2%的新型太阳能电池 功率转换效率。双面串联太阳能电池顶部有钙钛矿电池，底部有纹理硅。

由KAUST开发的新型破钙钛矿叠层太阳能电池

03

下一代电池技术的主战场

今年6月14日，隆基绿能在德国举行的Intersolarar Europe 2023年正式宣布，经欧洲太阳能测试机构ESTI权威认证，隆基绿能在商业绒面CZ硅片上实现晶硅-钙钛矿层压电池33.5%的转化效率。

5月24日，隆基绿能在上海SNEC光伏展上宣布，在商业绒面CZ硅片上实现晶硅-钙钛矿层压电池31.8%的转化效率，创下世界前三和中国第一的纪录。

今年5月19日，澳大利亚新南威尔士大学新能源（UNSW）共同启动SFOS超高效新型太阳能电池研发，效率超过35%。其结构是以新能高效硅电池为平台电池，将具有单重裂变特性的新型光电转换膜材料叠加在电池表面，形成激子倍增生成过程，使太阳能电池的量子效率超过100%。SFOS理论最高效率可超过40%。

天河光能在2022年年报中披露，公司专注于高效钙钛矿/晶硅叠层电池技术的研究，取得了一定的研究成果。经国际权威认证机构第三方测试:2022年7月，小面积钙钛矿/晶体硅叠层太阳能电池实验室效率达到27.9%，实验室技术研发水平处于国内领先地位，入选2022年中国最高效率；2022年12月，效率已提高到29.2%。

此前，协鑫科技在钙钛矿技术方面取得了相对领先的优势。在今年晶科能源业绩发布会上，董事长李仙德介绍，钙钛矿电池是公司重要的研究项目，认为“钙钛矿将是未来突破晶硅电池效率极限的主要途径”。通威股份和晶澳科技也有研发布局。

在全球科学家和光伏企业的共同努力下，钙钛矿叠层电池的商业化可能不会太遥远，希望正如德沃尔夫教授所预测的，只需要五年时间。

END