钙钛矿与硅串联太阳能电池:从复杂平衡极限计算到光子操纵

研究背景

 光伏能源利用在电力行业迅速增长，商用太阳能组件主要是基于硅基的异质结太阳能电池。最新的基础研究成果表明太阳能电池的能量转换效率高达26.3%。为了进一步提高能量转换效率，平衡计算表明，如果为顶部和底部太阳能电池选择理想的材料组合，串联太阳能电池可以达到超过40%的能量转换效率。进一步研究发现带隙为1.15 eV的晶体硅非常适合作为太阳能电池底部材料，在这种情况下，当顶部电池的带隙为1.7 eV时，可达到最高能量转换效率。复合半导体已被研究证明可以作为一种太阳能电池的潜在顶部吸收材料，由于其制造温度高、硅与复合半导体的晶格不匹配以及制造成本高等问题，目前还没有成功的实现。近年来，钙钛矿材料体系被研究作为单结太阳能电池或钙钛矿/硅串联太阳能电池的潜在材料，已经获得了超过20%的能量转换效率，太阳能电池的高能量转换效率有望很快达到甚至超过30%。

Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells: From Detailed Balance Limit Calculations to Photon Management

MohammadI. Hossain, Wayesh Qarony, Sainan Ma, Longhui Zeng, Dietmar Knipp*, Yuen HongTsang*

Nano-Micro Lett.(2019)11:58

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0287-8

本文亮点

 

1 为钙钛矿太阳能电池的优化设计提供了热力学和详细的平衡计算方法。

2 讨论了光子操纵对钙钛矿太阳能电池能量转换效率的影响。

3 提出了一种优化的太阳能电池设计方案，并实现了能量转换效率超过32%的钙钛矿/硅串联太阳能电池。

内容简介

香港理工大学Yuen Hong Tsang课题组运用平衡计算方法提出新的太阳能电池设计方案，使钙钛矿太阳能电池能量转换效率超过32%。为了缩小理论能量转换效率极限与实际太阳能电池性能之间的差距，需要对太阳能电池的损耗进行详细计算。在本课题研究中，从基本的卡诺过程到公认的肖克利-奎伊瑟极限（Shockley–Queisser limit）, 作者提出了计算基本能量转换效率极限的理论方法。通过详细的平衡计算和光子操纵，研究了钙钛矿/硅串联太阳能电池的能量转换效率损失和极限。作者使用一种延伸的肖克利奎塞尔模型来确定基本的损失机制，并将损失与太阳能电池的光学联系起来。此外，作者详细讨论了光子操纵对钙钛矿单结太阳能电池和钙钛矿/硅太阳能电池的太阳能电池参数的影响，并提出了一种优化钙钛矿/硅串联太阳能电池的设计方案，使其能量转换效率超过32%。

图文导读

I 不同太阳能电池的示意图

图1 (a)硅异质结太阳能电池; (b)由晶体硅吸收层和非晶硅接触层组成的硅异质结太阳能电池; (c)非晶硅异质结薄膜太阳能电池; (d)钙钛矿异质结薄膜太阳能电池; (e)钙钛矿/硅串联太阳能电池的原理图。

II 卡诺变换效率极限与Landsberg转换效率极限示意图

太阳能电池最基本的能量转换效率极限是卡诺极限，卡诺极限将太阳能电池描述为热机，如图2所示。Landsberg计算了能量转换效率极限，假设太阳和太阳能电池是具有熵损失的黑体，这意味着传输、产生和转换会导致熵损失。此外，输入和输出热通量被输入和输出辐射能量所代替。Landsberg太阳能转换器的示意图如图3所示。

图2 卡诺可逆热机所代表的太阳能电池示意图。

图3 太阳能转换器的Landsberg模型示意图。

III 复杂平衡极限或Shockley-Queisser极限

黑体辐射和AM 1.5G太阳光谱的短路电流密度、开路电压、填充系数和能量转换效率作为带隙的函数如图4所示。

短路电流密度增大，开路电压却随带隙的增大而减小。短路电流密度与开路电压之间达到平衡将得到最优带隙。能量转换随带隙的变化如图4d所示，在1.2-1.4eV的带隙中观察到能量转换效率最大值可达33.5%。图6同样也比较了最终的能量转换效率和Shockley-Queisser转换效率极限。发现辐射复合会引起能量转换效率的额外损失，最终的转换效率在1.1eV达到最高，而Shockley-Queisser极限在1.2-1.4eV范围内达到最高。

图4 在6000K下，带有黑体辐射光谱的AM 1.5G光谱的(a)短路电流、(b)开路电压、(c)填充系数和(d)转换效率平衡极限(Shockley Queisser极限)。

作者简介

Dr TSANG Yuen Hong
(本文通讯作者)

香港理工大学应用物理学系副教授

▍主要研究领域长期致力于二维半导体材料表征及应用研究，探索纳米材料在新一代激光、光电子、能源等重要领域的应用。主要研究领域包含类石墨烯的二维材料的非线性光学特性的研究、基于新型二维材料激光领域的应用（如锁模激光器、调Q激光器、光限幅器等）、新型的光电子器件研究与开发 (光电探测器和图像传感)，新型二维纳米材料用于可再生能源发电与水净化等以及激光（激光材料加工，激光手术）。

▍主要研究成果

多篇论文发表在国际知名新材料,光学和光电子期刊上包括ACS Nano, Angew. Chem. Int. Ed., Advanced Functional Materials, AdvancedScience, Nano-Micro Letter, Small, ACS Photonics, ACS Applied Materials & Interface, Nanotechnology, Scientific Reports, Journal of Materials Chemistry, Nano Research, Nanoscale, Photonics Research,Optics Letter, Optics Express etc.。共发表SCI论文140余篇，累计引用 >3200次，H指数32。

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撰稿：《纳微快报》编辑部

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