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叠加创造奇迹 科学家研发出转换效率最高达28%的串叠型太阳能电池

国际新能源网  来源:中国科学报  作者:宗华  日期:2015-01-27
若论及将太阳能转化成电,散布于屋顶和沙漠的硅太阳能电池只能算是中等水平。当下的转换效率冠军是被称为串叠型电池的复杂设备:由很多太阳能电池组成,每个电池都被优化用于吸收太阳光谱的不同部分。这种复杂性和制造串叠型电池所用的昂贵砷化镓基半导体导致这些电池价格不菲,因此它们大多被用在太空中。不过,如今电池研究人员正开始将串叠型电池策略应用于最热门和最便宜的新型太阳能电池材料,即一类被称为钙钛矿的晶体。这点燃了追寻高效、低成本电池的新希望。 “它正变成一项重点任务。”瑞士洛桑联邦理工学院化学家Michael Grtzel介绍说。就目前而言,研究人员仍在苦苦寻求将很多之前从未配对过的不同太阳能电池材料“嫁接”在一起。不过,最近的成功已经鼓舞了他们。“我确实相信高效的串叠型电池将在明年或后年被制造出来。”来自美国斯坦福大学的材料学家Michael McGehee表示。不过,Grtzel也警告说:“是否最终值得花这么大的成本是另一个问题。” 这股研究的热潮开始于去年10月。当时,IBM华生研究中心的研究人员展示了如何将由铜、锌、锡、硫磺和硒(CZTSSe)混合制成的钙钛矿电池上下叠加在一起。这种串叠型电池在《应用物理快报》上被作了详细描述,其转换效率只有4.6%,远低于最好的CZTSSe电池或钙钛矿电池本身。其中,很大一部分问题在于叠层电池上方的金属电接触材料阻止了多数光子通向较低叠层。 现在,由McGehee和Grtzel领导的小组在很大程度上解决了这个问题。在不久前发表于《能源与环境科学》杂志网络版的一篇论文中,研究人员报道称,通过将钙钛矿电池和缩写为CIGS的铜基电池或者更加标准的硅电池结合在一起,他们创造出了整体转换效率高达18.6%的设备。这击败了转化效率为17%的普通CIGS电池和测试中使用的转化效率为11.7%的钙钛矿电池。成功的关键之处在于由银纳米线制成的顶级金属接触材料,其使得大部分光子通往下面的光吸收层。 McGehee和其他人非常有信心能做得更好。上个月,来自韩国成均馆大学的化学工程师Nam-GyuPark在波士顿材料研究协会的一次会议上介绍说,他和同事制造了一种转换效率达28%的钙钛矿—硅串叠太阳能电池。与在标准的串叠型电池中将两个电池上下叠层的做法相反,Park团队将平放的高效硅电池同直立的钙钛矿电池结合在一起。随后,他们利用一种被称为分光器的设备引导高能量的蓝色光子进入钙钛矿电池,而使低能量的红色光子穿过分光器进入下面的硅电池。“将该技术应用到商业太阳能电池的制造中并非易事。”Grtzel表示,但它展示了将光谱分开时的潜力。 这种潜力正在持续增加,主要是因为研究人员在不断改善钙钛矿的“配方”。例如,由韩国化学技术研究所SangIlSeok领导的小组日前在《自然》杂志网络版上报道称,他们制造了一种比自身转换效率高出18%的钙钛矿电池。在一项由美国国家可再生能源实验室独立查证的未发表研究中,该小组制造的钙钛矿电池转换效率达到20.1%。 Grtzel认为,通过将拥有如此高转换效率的钙钛矿和最顶级的商业硅太阳能电池结合在一起,研究人员应该可以利用通常的串叠结构,便可达到Park实现的28%转换效率。这将比最好的硅电池提高了20%。在Grtzel看来,在这个领域,如果你能有0.1%的改进,人们也会激动不已。 为了使串叠型电池的总输出功率最大化,研究人员仍需要增加钙钛矿电池产生的电流量,以便同硅电池的电流匹配,因为串叠型电池的电流要受到其较弱组成部件的限制。同时,来自加州大学洛杉矶分校的材料学家YangYang表示,他们还需要减少发生在两种材料交界处的电损耗。几十年的艰苦努力已教会研究人员如何利用太空中使用的砷化镓电池实现上述目标。解决了钙钛矿电池中这些同样存在的难题,将使得串叠型电池真正变成现实。Yang说:“我们坚信能够做到。”
 
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