近日,卡爾斯魯厄理工學院(KIT)、哈梅林太陽能研究所(ISFH)和漢諾威萊布尼茨大學的研究人員設計了三結鈣鈦礦-鈣鈦礦-硅太陽能電池,其轉換效率創下24.4%的歷史新高。
該團隊優化了每個鈣鈦礦子電池(頂部和中間電池分別為~1.84和~1.52 eV),將電流產生最大化至11.6 mA cm?2。這一成就的關鍵是開發了一種高性能的中間鈣鈦礦子電池,采用了穩定的純α相高質量甲脒碘化鉛鈣鈦礦薄膜。這使得三結中的高開路電壓為2.84V。如果在85°C的黑暗中放置1081小時,未封裝得三結器件可保持高達其初始效率的96.6%。
迄今為止,與全鈣鈦礦疊層太陽能電池相比,使用三個或更多的多結鈣鈦礦基光伏電池在性能和研發進展上相對滯后。該團隊表示,處理三結結構的關鍵挑戰是在復雜的多層結構中一次處理高質量鈣鈦礦薄膜、單互連子電池的光管理和電流匹配、以及開發低損耗隧穿/復合結。據介紹,最關鍵的是中間的鈣鈦礦子電池,因為它位于底部硅電池的上端,并且需要承受寬帶隙(WBG)鈣鈦礦頂部電池的后續處理。
在最近的研究中,研究人員表示,該電池基于能帶隙為1.84 eV的鈣鈦礦頂部電池、帶隙為1.52 eV的中間鈣鈦礦電池和帶隙為1.1 eV的硅底部電池。底部電池的厚度為200μm。它是用氫氧化鉀蝕刻的,并且是基于氧化物(POLO)結上的電子收集多晶硅。對于中間和頂部器件,研究人員使用了最有前途的鹵化物鈣鈦礦之一——被稱為α-FAPbI3的α-甲脒碘化鉛。通過ITO層形成復合結。ITO還用作順序空穴傳輸層(HTL)的錨定氧化物,特別是用于NiOx/自組裝單層(SAM)的雙HTL。此外,基于濺射氧化鎳(NiOx)和咔唑(2PACz)結合的雙HTL被用于兩個鈣鈦礦子電池中,據報道,其提供了極好的電荷載流子提取、對鈣鈦礦前驅體的溶劑的堅固屏障以及良好的器件產率。
在標準照明條件下測試,三結電池的功率轉換效率為24.4%,開路電壓為2.84 V,短路電流為11.6 mA cm–2,填充系數為74%。研究小組表示,這是迄今為止報道的這種三結器件的最高效率。該電池在1081小時85°C的暗存儲老化中也能保持96.6%的初始效率。通過在三結電池中進行光學模擬和實驗優化,該團隊能夠最大限度地減少電流失配并最大限度地產生電流。