科学家研发半透明电池创造新记录，实现钙钛矿太阳能电池串联装置 28.3％效率

近日，宾夕法尼亚州立大学研究团队实现了钙钛矿太阳能电池 19.8% 的效率，刷新了半透明电池的记录。当与传统的硅太阳能电池结合时，串联装置实现了 28.3% 的效率，超过单独使用硅电池时的 23.3% 效率

相关论文以《最佳透明电极可为高效半透明顶部电池提供 28.3％的钙钛矿 / 硅串联太阳能电池效率》（“28.3%-efficiency perovskite/silicon tandem solar cell by optimal transparent electrode for high efficient semitransparent top cell”）为题发表在《纳米能源》杂志上。

图丨相关论文（来源：《纳米能源》）

该团队表示，“开发新的超薄金属电极使研究人员能够制造出高效的半透明钙钛矿太阳能电池，并且可以与传统的硅电池相结合，从而大大提高两种设备的性能，这代表了朝着开发完全透明的太阳能电池迈出的一步。”

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程助理研究教授、该研究的作者之一 Kai Wang 在接受媒体采访时说：“透明太阳能电池有朝一日可以在家庭和办公楼的窗户上找到一席之地，利用原本会被浪费的阳光发电。这是一大步，我们终于成功制造出高效、半透明的太阳能电池。”

钙钛矿与调谐的带隙提供吸引人的机会，为实现钙钛矿 / 硅叠层太阳能电池能够提供巨大的潜力，在超过固有功率转换效率（PCE） 每个子单元。这意味着，顶部电池顶部电极的透明度和导电性是串联太阳能电池的关键。

传统的太阳能电池由硅制成的，科学家们相信，他们正在越来越接近制造更高效太阳能电池的技术的极限。研究人员表示，“钙钛矿电池提供了一种很有前景的替代方案，将它们堆叠在传统电池之上可以创建更高效的串联设备。”

科学家们表示，“在之前的研究中，超薄金膜显示出作为钙钛矿太阳能电池中透明电极的前景，但形成均匀层的问题导致导电性较差。在实验中发现，用作种子层的铬允许金在顶部形成具有良好导电性能的连续超薄层。”

由于铬种子层具有较大的表面能，研究人员通过引入铬（Cr）种子层证明了连续的超薄金（Au）膜作为顶部电极，这提高了半透明钙钛矿器件和串联太阳能电池的效率。

图丨钙钛矿 / 硅串联太阳能电池透明电极采用具有优异导电性和近红外区透光率的超薄金膜（来源：《纳米能源》）

实验结果证明，最终实现了半透明钙钛矿电池的最高 PCE 为 19.8%。模拟光场 COMSOL 的分布和实验结果表明，半透明钙钛矿器件在近红外范围内具有高透射率，证明它是具有硅异质结器件的串联太阳能电池中的最佳顶部电池。

半透明钙钛矿顶部电池机械堆叠在硅异质结底部电池上的串联太阳能电池的 PCE 为 28.3%。基于透明电极的串联电池结构设计的这一突破为钙钛矿和串联太阳能电池的过渡提供了有效途径。

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程副总裁兼教授沙尚克・普里亚 （Shashank Priya ）在接受媒体采访时表示，“我们已经证明，可以用非常薄的、几乎只有几个原子层的金来制造电极。薄金层具有高导电性，同时它不会干扰电池吸收阳光的能力。”

他补充说道，“这是一个重大突破，效率提高 5% 意味着每平方米的太阳能电池材料可以多转换约 50 瓦的阳光。太阳能农场可以由数千个模块组成，因此可以产生大量电力。”

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程助理研究教授 Dong Yang 表示，“通常情况下，如果生长出一层薄薄的像金一样的东西，纳米粒子会像小岛一样耦合在一起并聚集在一起。铬具有很大的表面能，为金在上面生长提供了良好的场所，它实际上允许金形成连续的薄膜。基于透明电极的串联电池架构设计的这一突破为向钙钛矿和串联太阳能电池的过渡提供了有效途径。”

钙钛矿太阳能电池由五层和其他材料组成，被测试为透明电极损坏或退化的电池层。科学家们表示，用金电极制成的太阳能电池在实验室测试中很稳定，并且随着时间的推移保持高效率。

参考：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105934

https://techxplore.com/news/2021-05-scientists-transparent-electrode-boosts-solar.html