南京大学研究团队开发新策略 提升全钙钛矿三结太阳能电池效率至 30.1%

中国南京大学及其合作机构的研究人员开发出一种新颖的处理策略，以解决单体全钙钛矿三结太阳能电池中的主要效率问题。特别是，研究团队设计了一种表面重建和卤化物均匀化的策略，以应对 2.0 eV 超宽带隙（UWBG）钙钛矿薄膜中的性能限制问题。这一策略促成了钙钛矿三结太阳能电池的研发，其惊人的功率转换效率达到 30.1%（经认证为 29.3%）。根据研究，这一整合设计在持续使用下具备高稳定性，并有潜力将未来多层太阳能电池的效率推高到 35%以上。

目前，标准硅面板主导太阳能行业，但面临物理极限，限制了其将阳光转换为能量的能力。钙钛矿则提供了一个前景广阔的替代方案，因为这些合成材料可以层叠堆叠，以更高效地吸收太阳光谱中更广泛的波长。为了捕捉高能阳光，科学家们建造了富含溴化物的超宽带隙（2.0 eV）钙钛矿薄膜。然而，高溴化物含量在制造过程中表现不稳定。顶部表面首先干燥并结晶，而底部则保持湿润。这种不匹配造成了流体核心上的刚性外壳，导致薄膜出现褶皱、裂纹，并使其化学成分分离。

结果，能量被浪费，并发生严重的电压损失。

解决薄膜性能限制

研究人员通过创造一种双重处理技术来解决这一问题，该技术平滑材料表面并管理晶体的形成。这一技术通过结合针对性的溶剂浴和少量的油基氯化铵添加剂，解决了不均匀干燥的问题。平衡的溶剂处理重塑并平整了顶层，而氯化物的添加使溴化物和碘化物成分同时结晶。这一联合方法防止了过早的表面硬化，创造了整个材料中光滑且结构均匀的薄膜。

单体三结电池结合了三层相互连接的光吸收层，每层设计具有不同的带隙，以针对太阳光谱的不同部分。消除表面褶皱和结构缺陷使得三层太阳能电池的优化达到最佳能量捕获。顶部的 2.0 eV 子电池实现了高开路电压 1.46 V，并配备 1.60 eV 的中间层以匹配光谱，及 1.22 eV 的底层以吸收深红外。这一单体三结配置共同实现了创纪录的 30.1% 功率转换效率，并经独立认证为 29.3%。

未来应用与研究方向

研究人员指出：“最终的 UWBG 钙钛矿薄膜显示出均匀的表面潜力、抑制非辐射复合、改善载流子迁移率及开路电压 1.46 V。”该技术不仅有效，而且持久。据报道，完成的电池在模拟阳光下的连续最大功率运行 569 小时后，仍保留超过 90% 的初始效率。在完成初步实验室测试后，研究团队计划减少电压和填充因子损失，精炼电流匹配，并扩大器件规模以便于更大应用。未来的研究将从初始效率测量转向在现实操作条件下评估组件性能，特别关注辐射、紫外线、真空和热循环耐久性，以支持潜在的太空任务。

由于避免使用重型硅晶圆，该技术指向超轻、灵活的太阳能组件，旨在用于商业屋顶、可穿戴电子设备及卫星部署。

钙钛矿技术的潜力与应用前景

钙钛矿材料在太阳能电池中展现出优越的性能，特别是在提高能量转换效率方面。这项新技术不仅提升了效率，还解决了传统材料在制造过程中的不稳定性问题。随着研究的深入，未来有望在商业应用中看到钙钛矿电池的广泛部署，尤其是在可穿戴设备和轻量化组件方面，这将改变市场对太阳能技术的需求和应用方式。