Science | 27%！中国科大高效晶硅-钙钛矿二端叠层太阳能电池取得重要进展

我国是太阳能清洁能源的需求大国，但是土地资源宝贵。因此, 如果能使用相同的光伏系统占地面积，在现有晶硅电池的基础上提高30%的发电量将具有重要经济和社会效益，也是太阳能研究人员和光伏工业界长期追求的目标。

近日，中国科学技术大学（化学与材料科学学院材料系，中科院能量转换材料重点实验室）徐集贤教授和美国科罗拉多大学Mike McGehee教授以联合通讯的方式发表了晶硅-钙钛矿二端叠层太阳能电池的重要进展。通过使用改进的钙钛矿光伏薄膜与效率为~21%的晶硅电池进行光电耦合，将太阳能转换效率提高到27%（图1），证明了使用叠层技术大幅突破硅电池理论极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”为题发表在学术杂志《Science》上。

图1.  硅基-钙钛矿二端叠层电池的结构和光伏效率。（A）结构示意；（B）器件剖面的电子显微图像；（C）光伏曲线；（D）上下两节电池的光谱响应曲线。

传统晶硅电池可以吸收太阳光中的可见光和近红外光并转换为电能，但是可见区的光子存在热弛豫现象而导致一部分能量以热能形式损失。使用叠层电池技术，在晶硅电池表面直接制备可以高效转换可见光的钙钛矿多晶薄膜器件，而硅电池只负责转换从钙钛矿薄膜透过的红外光，二者配合在理论上可以将光伏效率提升到40%以上。当前的挑战是，宽带隙的金属-卤化物钙钛矿在光照下由于离子运动存在卤素I和Br相的“光致相分离”问题，这减小了光伏转换电压和稳定性。针对这一难题，研究人员通过大量实验发现：通过适当引入Cs和Br离子调节晶格，是可以进一步引入Cl离子相形成稳定的I/Br/Cl三相合金，而且引入的Cl相可以进一步有效提高钙钛矿的吸收带隙。而以往的研究认为Cl相很难被引入钙钛矿合金，而且不能有效调节钙钛矿带隙，因此该发现有助于人们更深刻的认识金属-卤素钙钛矿的三相合金空间。I/Br/Cl三卤素合金的新型钙钛矿有效抑制了“光致相分离”问题，可以在100倍太阳的高强度照射下保持相稳定，这也为进一步开展聚光光伏提供了可能（图2）。

图 2.  传统I/Br合金钙钛矿在（A）10倍太阳和（B）100倍太阳强度下出现荧光红移，即相分离；新型I/Br/Cl合金钙钛矿在（D）10倍太阳和（E）100倍太阳强度下荧光不仅没有红移而且出现蓝移，即保持了相稳定。由I/Br/Cl三卤素合金钙钛矿薄膜构建的叠层电池的电压接近1.9V，是当前文献报告的最好结果。改进的钙钛矿电池在60摄氏度下的最大功率点连续测试1000个小时效率损失低于4%。为了进一步迈向实用化，硅基-钙钛矿二端叠层电池还需要继续提高转换效率（>30%），并实现更长期的稳定性。
科罗拉多大学博德分校为论文的第一单位，中国科学技术大学为合作单位。徐集贤教授为论文的共同通讯作者和共同第一作者。其他合作单位还包括美国斯坦福大学、美国亚利桑那州立大学、美国新能源国家实验室。

论文链接：

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

来源：中国科学技术大学化学与材料科学学院

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