影响钙钛矿/异质结叠层太阳能电池效率及稳定性的关键问题与解决方法

高效且稳定的钙钛矿/异质结叠层太阳能电池是学术界与工业界共同探索的方向,目前小面积叠层太阳能电池效率优势已然非常明显,但在商业化推进过程中,叠层路线在电池结构设计与界面调控、钙钛矿材料选型与优化、器件尺寸放大以及稳定性等方面仍存在许多挑战.本文通过收集相关文献资料,包括实验数据和理论模拟结果,对钙钛矿/异质结叠层太阳能电池的研究现状进行分析,认为未来的研究方向可能涉及叠层顶电池的界面调控及组件互联结构设计等关键问题.因此,文章重点阐述钙钛矿/异质结叠层太阳能电池各关键材料层的优化选型、钙钛矿带隙优化与离子迁移抑制、层间界面传输调控、底电池连接层优化及组件互联与封装方式优化.基于现有研究成果对叠层太阳能电池技术进行了总结和探索展望,旨在为后续叠层太阳能电池结构设计的各关键问题提供方向性解决建议.

基于专利信息分析叠层钙钛矿太阳能电池技术

传统化石能源的日益枯竭和对环境的危害,使其不能满足经济的发展。清洁环保、可持续发展的太阳能一直被认为是能够替代传统化石能源的新型能源之一。单结太阳能电池由于只有一个PN结,其转化效率受到Shockley-Queisser(S-Q)理论的限制,因此,单结太阳能电池的理论转化效率极限为33.7%。由于太阳光谱的能量分布较宽,不同带隙的光吸收材料可以吸收不同能量的光子。由多个不同带隙的吸收材料的子太阳能电池叠层构成的叠层太阳能电池,实现对太阳能光谱多个波段的吸收,提高了太阳能的利用率,突破了S-Q理论的限制,显著提升了太阳能电池的转化效率。

钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳电池的发展及展望

综述近年来钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳电池的发展现状,介绍钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳电池技术在效率和可靠性方面的优势。从工艺优化、结构协同设计和性能优化等方面对钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳电池进行总结,着重讨论叠层结构的每个子单元太阳电池复杂的协同效应。

基于协同钝化策略制备高性能柔性钙钛矿太阳能电池

柔性钙钛矿太阳能电池由于可弯曲、重量轻、高功质比等特点,受到广泛关注.提升柔性钙钛矿太阳能电池转换效率最有效的策略是钝化钙钛矿薄膜内部的晶界缺陷以及钝化钙钛矿薄膜与电荷传输层的界面缺陷.本文设计制备了以柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene glycol terephthalate,PET)为基材的柔性反式钙钛矿太阳能电池,采用了辛基氯化胺(octadecylamine hydrochloride,OACl)添加剂及表面钝化的协同钝化策略,提高了钙钛矿薄膜的结晶质量,改善了钙钛矿薄膜内部及界面处的缺陷,并最终得到了光电转换效率为20.80%的柔性反式钙钛矿太阳能电池.本文为制备高效柔性钙钛矿太阳能电池提供了一种有效策略.

基于金刚线切片的钙钛矿/硅叠层太阳电池

提出一种免空穴传输层的策略,将自组装单分子层材料作为钙钛矿活性层的添加剂,通过一步旋涂法直接将钙钛矿薄膜制备在导电基底表面,其中薄膜的质量与均一性都得到改善。进一步地,将该方法应用在低成本的商用金刚线切片上,可在高粗糙度的硅表面制备出覆盖度高、形貌致密、无空洞的钙钛矿薄膜。在光电性能方面,用该方法得到的单结钙钛矿太阳电池的光电转换效率为21%,填充因子高达83%,两端钙钛矿/硅叠层太阳电池的光电转换效率为28%。

全黄铜矿CuGaSe_(2)/CuInSe_(2)两端叠层太阳能电池的顶端设计与优化

近年来单结太阳能电池的光电转换效率逐步提高,但其最高效率受到Shockley-Queisser (SQ)极限的限制.为了超越SQ极限,学者们提出了叠层太阳能电池.本工作结合第一性原理计算和SCAPS-1D器件模拟对黄铜矿化合物CuGaSe_(2)/CuInSe_(2)叠层太阳能电池进行了系统的理论研究.首先通过第一性原理计算获取了CuGaSe_(2) (CGS)的微观电子结构、缺陷特性及对应的宏观性能参数,作为后续器件模拟CGS太阳能电池的输入参数.随后采用SCAPS-1D软件分别对单结CGS与CuInSe_(2) (CIS)太阳能电池进行了仿真模拟.单结CIS太阳能电池的模拟结果与实验值具有良好的一致性.对单结CGS电池而言,在短路电流(J_(sc))最高的生长环境下进一步模拟发现,将电子传输层(ETL)换为ZnSe后可提高CGS太阳能电池的开路电压(V_(oc))和PCE.最后,将优化后的CGS与CIS太阳能电池进行了两端(2T)单片串联的器件模拟,结果显示在生长环境为富Cu、富Ga、贫Se,生长温度为700 K时,2T单片CGS/CIS叠层太阳能电池的PCE最高为28.91%,高于当前最高的单结太阳能电池效率,展现出良好的应用前景.

有机--无机共添加增强柔性钙钛矿太阳能电池机械弯曲及环境稳定性能

近年来,钙钛矿太阳能电池发展迅速,其光电转换效率(Power Conversion Efficiency,PCE)已经提高到26.1%,但是柔性钙钛矿太阳能电池(Flexible Perovskite Solar Cells,F-PSCs)的机械弯曲和环境稳定性仍然是其商业化的主要障碍。本研究通过添加琼脂糖(Agarose,AG)以改善薄膜的质量和结晶性能,系统探究了AG对钙钛矿的作用机理,组装成的F-PSCs的PCE和机械弯曲及环境稳定性能。研究发现当AG添加浓度达到最优值3 mmol/L时,薄膜表面变得更为致密平滑,钙钛矿结晶度和吸光度增加。此时器件的陷阱态密度降到最低,电荷传输电阻低至2191Ω,光电性能达到最佳,PCE由15.17%提升至17.30%。进一步引入TiO2纳米颗粒(0.75 mmol/L),与AG(3 mmol/L)共同作用,可以提供刚性骨架结构,增强钙钛矿层的机械性能和环境稳定性。循环弯曲1500次(半径为3 mm)后,AG/TiO2共添加器件可保持初始PCE的84.73%,远高于空白器件的9.32%;在空气中放置49 d后,该器件仍可保持初始PCE的83.27%,优于空白器件的62.21%。该研究成果为制备高效且稳定的F-PSCs提供了可能性。

更正:全黄铜矿CuGaSe_(2)/CuInSe_(2)两端叠层太阳能电池的顶端设计与优化

《物理学报》2024年第73卷第10期第103101页《全黄铜矿CuGaSe_(2)/CuInSe_(2)两端叠层太阳能电池的顶端设计与优化》一文中因作者疏忽导致(1)式书写有误,特此更正,并诚挚地向读者致歉.相关内容更正如下.

柔性钙钛矿太阳能电池机械稳定性研究进展

本文旨在综述近年来柔性钙钛矿太阳能电池(FPSC)机械稳定性研究的主要进展。本文对近年来FPSC机械稳定性相关的研究论文进行梳理和综述,对涉及的基底材料和结构的设计、界面改善方法、电极材料的优化等方面进行归纳和总结。通过研究发现,FPSC经材料和结构的优化设计,可以显著提高FPSC的机械稳定性,为其实用化和商业化提供了可能。

减小边缘复合助力28%效率的四端钙钛矿/硅叠层太阳能电池

钙钛矿/硅叠层太阳能电池由于能突破单结太阳能电池的效率极限而吸引了广泛的研究兴趣.然而,在将商业化的大面积硅电池切割为实验室所需的平方厘米级的小面积电池时,会造成显著的效率下降,限制了叠层电池的性能.为了消除传统的激光切割法造成的热损伤和热传导,减少切割后的异质结硅电池的非辐射复合,本工作采用砂轮划片这一冷加工方法,对异质结硅电池进行切割.与采用激光切割法得到的器件相比,冷加工法得到的异质结硅电池的截面损伤小,非辐射复合得到显著抑制,器件的开路电压和填充因子均得到提高,平均光电转换效率提高了1%.将得到的硅电池与正式半透明钙钛矿太阳能电池进行机械堆叠,获得了效率超过28%的四端钙钛矿/硅叠层太阳能电池.

迈向效率大于30%的钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池技术的研究进展

双结叠层太阳能电池由两个具有不同带隙吸收体的电池组成,通过差异化吸收更宽范围波长的太阳光,降低光子热化损失,已展现出打破单结太阳能电池Shockley-Queisser极限效率的巨大优势.获益于钙钛矿电池带隙可调和制备成本低的优点以及晶硅电池产业化的优势,钙钛矿/晶硅叠层太阳电池成为光伏领域的研究热点.本文系统的梳理了钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的最新研究进展,重点从钙钛矿顶电池、中间互联层和晶硅底电池的结构出发,总结出高效叠层器件在光学和电学方面的设计原则.本文还详细地分析了限制钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池继续提效的关键因素及解决措施,这对于钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的产业化之路是非常重要的.最后,对下一代更高效率的低成本叠层太阳能电池进行了展望.我们认为随着对光伏器件效率要求越来越高,基于钙钛矿/晶硅叠层结构的三结电池将会成为下一代低成本高效电池的研究热点.

能隙与反照率对双面钙钛矿叠层电池产能的影响

钙钛矿材料因其带隙可调可用于制备双面叠层电池,从而突破SQ效率极限,不断降低平准化度电成本。本文分别模拟了两端(2T)和四端(4T)双面叠层电池在不同地面反射材质下的功率输出。在标准辐照条件下,4T电池的顶电池优化带隙并不依赖于地面反射材质及反射强度。然而,真实气象条件模拟显示优化带隙随反射强度向宽带方向发生偏移。在标准辐照下,低反射强度获得优化带隙的2T电池在高地面反射强度下组件功率输出不会提高。在真实气象条件下,带隙优化的2T叠层电池在高反射强度下依然能够获得更高的功率输出。这说明在真实气象条件下进行双面叠层电池产能模拟对电池设计具有关键意义。

聚光钙钛矿叠层太阳能电池性能数值模拟研究现状

钙钛矿太阳能电池自面世以来,以巨大的发展潜力,受到了研究人员的重点关注。通过多年的发展,钙钛矿电池的性能得到了显著提升,在正常光照条件下,光电转换效率超过25%,性能方面已经达到了进入市场的条件。钙钛矿太阳能电池极具科学研究价值和实际运用前景。本文对钙钛矿太阳能电池的结构及性能的数值模拟做了系统性总结,综合国内外聚光钙钛矿太阳能电池的发展,以及数值模拟研究工作,同时也对钙钛矿太阳能电池的未来发展方向做了分析与展望。

全钙钛矿叠层电池光电转换效率刷新世界纪录

据报道,经国际第三方权威认证机构测试,该校现代工程与应用科学学院谭海仁课题组研发的大面积全钙钛矿叠层组件,稳态光电转换效率高达24.5%,刷新了全钙钛矿叠层组件的世界纪录,相关结果已被收录到《太阳能电池效率表》。近日,该团队相关论文发表于国际学术期刊《科学》。谭海仁坦言,相较于传统的晶硅单结太阳能电池,钙钛矿叠层太阳能电池生产成本更低、更节能。轻量化、柔性化的特点使其更容易弯折,使用场景更多。钙钛矿叠层太阳能电池由电极、钙钛矿吸光层、空穴传输层、电子传输层等结构堆叠而成,宽带隙钙钛矿薄膜和窄带隙钙钛矿薄膜是叠层电池中重要的吸光层。

氧化锆间隔层的低温喷涂制备及其三层结构钙钛矿太阳能电池应用性能

氧化钛/氧化锆/碳三层结构钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells,PSCs)具有原材料廉价、制备工艺易放大和稳定性好等优势,受到了广泛关注。但三层结构PSCs的低温制备研究进展缓慢,主要原因之一在于难以在低温条件下构建合适的氧化锆间隔层。本研究以尿素为孔隙率调节剂,用简单的喷涂法制备多孔氧化锆间隔层用于三层结构PSCs。通过调节喷涂次数优化氧化锆层厚度为1100 nm时,电池的性能最优,单电池功率转换效率达到14.7%,5块电池串联模块(5×0.9 cm×2.5 cm)达到10.8%。PSCs在恒温恒湿箱(25℃,湿度40%)保存200 d,功率转换效率保持稳定,没有明显下降。柔性基底上的氧化锆层经50次弯曲测试后保持完整,未见脱落。与传统的丝网印刷氧化锆间隔层制备方法相比,本研究的喷涂方法具有方法简便、操作温度低、与柔性基底兼容性好的优点。

柔性钙钛矿太阳能电池的力学稳定性研究进展

近年来,随着钙钛矿光伏技术的迅速发展,柔性钙钛矿太阳能电池由于具有重量轻、高效率和高柔韧性等特点,在柔性可穿戴设备应用中具有广阔的发展前景。综述了近年来研究学者在柔性基底、柔性电极、电荷传输层、钙钛矿薄膜及其与界面处的力学稳定性的改善工作,同时阐述了柔性钙钛矿太阳能电池的力学性能实验测试方法以及有限元模拟验证的进展状况,为柔性钙钛矿太阳能电池的进一步研究提供参考和借鉴。对柔性钙钛矿太阳能电池的未来发展方向进行了展望,并指出了未来研究的重点。

Sb_(2)Se_(3)-Sb_(2)S_(3)两端叠层薄膜太阳能电池

设计并制备一种全锑基两端叠层薄膜太阳能电池,其结构为ITO/CdS/Sb_(2)S_(3)/Au/ZnO/Sb_(2)Se_(3)/Au.通过快速热蒸发法制备Sb_(2)Se_(3)和Sb_(2)S_(3)薄膜,该薄膜具有良好的结晶性.测试表明,器件中各层薄膜的能级互相匹配,并且可实现光谱的分段利用.Sb_(2)Se_(3)-Sb_(2)S_(3)两端叠层电池的光电转换效率达到3.25%,其开路电压为0.98 V,可基本实现开压叠加.

基于MoO_(3)/Au/ZnO中间层的有机叠层太阳能电池

采用宽带隙有机材料PTB7-Th:PC71BM作为前电池,窄带隙有机材料PTB7-Th:IEICO-4F作为后电池,MoO_(3)/Au/ZnO薄膜作为中间连接层制备叠层电池。在本研究中,利用真空热蒸发和磁控溅射镀膜的方法制备了MoO_(3)/Au/ZnO薄膜,不仅具有高透光率,而且有很好的抗溶剂侵蚀性能。此外,为了进一步降低在旋涂后电池活性层时溶液对前电池的侵蚀,采用低沸点的氯仿作为后电池活性层材料的溶剂,并利用动态旋涂成膜的方法,减少溶剂挥发时间。最后获得了效率为9.35%的有机叠层太阳能电池,与单结有机太阳能电池相比,拥有更高的效率,开路电压高达1.4 V。研究表明:MoO_(3)/Au/ZnO薄膜在制备叠层太阳能电池中具有很大的优势。

通过氧源调控原子层沉积的SnO_(x)层实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池

原子层沉积的SnO_(x)薄膜具有良好的均匀性和致密性,常被用于提升倒置平面结构钙钛矿太阳能电池的稳定性。而SnO_(x)薄膜的特性对器件能量转换效率(Power conversion efficiency,PCE)有着重要影响。本文通过氧源(H_(2)O、O_(3))调控SnO_(x)薄膜的能级和导电性,提升器件PCE。结果表明,O_(3)作为单一氧源的SnO_(x)薄膜(记为O_(3)-SnO_(x))具有较优的能级排列;而只有H_(2)O作氧源的SnO_(x)薄膜(记为H_(2)O-SnO_(x))具有较高的电导率。而采用O_(3)和H_(2)O混合氧源制备的SnO_(x)(记为MIX-SnO_(x)),则兼顾了能级匹配和良好的导电性,有效提升器件的PCE,达到20.9%。不仅如此,得益于SnO_(x)薄膜的致密结构,有效避免了外部水氧的入侵和内部材料的分解流失,从而提升了器件稳定性,在85℃(氮气气氛)下老化超过646 h仍能维持初始PCE的86%以上。

柔性钙钛矿太阳能电池进展探讨

柔性基底钙钛矿太阳能电池具有可卷曲、重量轻、韧性好、可实现成卷连续生产和应用广泛等优点,极大地拓宽了应用范围,其最高光电效率已接近25%。面向钙钛矿电池结构,梳理不同柔性基底制备电池的研究进展,分析不同制备条件下柔性电池的性能差异,探讨柔性电池产业化面临的主要问题,展望柔性电池的发展方向。