新型钙钛矿/CIS串联光伏电池效率突破25%

       在过去的几十年间，伴随着单晶硅太阳能电池的进步，其效率日益提高，现在已经接近实际极限。如果想进一步提升光伏性能，其中一种方法是将两个或多个电池堆叠在一起，以捕获更多的太阳光谱。

       来自德国卡尔斯鲁厄理工学院和荷兰索利安斯的 TNO 合作伙伴的研究人员使用钙钛矿和二硒化铜铟 (CIS)制造了一种两端串联太阳能电池(ACS Energy Lett. , doi: 10.1021/acsenergylett.2c00707)。这种全薄膜器件的能量转换效率(PCE)接近25%，代表着一种轻量化、柔性的光伏发电方式。 

钙钛矿的合适搭档

       钙钛矿太阳能电池被称为迄今为止发展最快的太阳能技术，自 2009 年发明以来，PCE 从 3.8% 飙升至 25.7%。由钙钛矿和晶体硅制成的串联太阳能电池的 PCE 已达到创纪录的 29% 以上。然而，硅的加入降低面板的柔性、增加制作成本。寻找与钙钛矿配对的替代材料是突破以上障碍的主要途径。因此 CIS紧紧吸引住了研究人员的目光，它与钙钛矿一样，能够用于制作薄膜器件，生产全薄膜串联太阳能电池。

图1 钙钛矿/ CIS串联太阳能电池已经能够将相对较高的转换效率，并且通过改进未来可进一步提高效率

       卡尔斯鲁厄理工学院教授Ulrich Paetzold 表示，钙钛矿 / CIS 串联光伏太阳能电池具有轻量级和柔性薄膜光伏技术的所有优势，且转换效率有望突破30%。其重量轻且用途广泛，不仅可以安装在建筑物上，还可以安装在车辆和便携式设备上。

推动更高的效率

       首先，Paetzold 和他的同事进行了计算模拟，以找到钙钛矿/CIS 串联太阳能电池的理想带隙组合。他们通过改变钙钛矿顶部电池和 CIS 底部电池的带成分来进行调整。此外，要将顶部和底部电池串联连接为两端器件，它们的光电流必须匹配，因此需要合适的带隙组合。最后，研究人员结合了带隙为 1.03 eV 的低 Ga CIS 和带隙为 1.59 eV 的三阳离子钙钛矿。 而且太阳能电池还包括抗反射涂层，以改善光耦合并增加整体光电流。

       “通过优化半透明钙钛矿顶部电池与窄带隙 CIS 底部电池串联互连，我们制作出了接近 25% 的 PCE 的串联光伏器件，”Paetzold 提到。“研究表明，钙钛矿/CIS串联太阳能电池有望突破当前测得的PCE，达到30%。”

商业化之路

       虽然更高的 PCE 是钙钛矿/CIS 串联太阳能电池的一项重要突破，但在该技术市场化之前仍有许多工作。Paetzold 强调，钙钛矿长时间暴露于水分或氧气中会降解，因此其中一项重要挑战是材料和制造工艺的可扩展性，以及稳定性方面的改进 。