南京大學研究團隊開發新策略 提升全鈣鈦礦三接面太陽能電池效率至 30.1%

中國南京大學及其合作機構的研究人員開發出一種新穎的處理策略，以解決單體全鈣鈦礦三接合太陽能電池中的主要效率問題。特別是，研究團隊設計了一種表面重建和鹵化物均質化的策略，以應對 2.0 eV 超寬帶隙（UWBG）鈣鈦礦薄膜中的性能限制問題。這一策略促成了鈣鈦礦三接合太陽能電池的研發，其驚人的功率轉換效率達到 30.1%（經認證為 29.3%）。根據研究，這一整合設計在持續使用下具備高穩定性，並有潛力將未來多層太陽能電池的效率推高到 35%以上。

目前，標準硅面板主導太陽能行業，但面臨物理極限，限制了其將陽光轉換為能量的能力。鈣鈦礦則提供了一個有前景的替代方案，因為這些合成材料可以層疊堆疊，以更高效地吸收太陽光譜中更廣泛的波長。為了捕捉高能陽光，科學家們建造了富含溴化物的超寬帶隙（2.0 eV）鈣鈦礦薄膜。然而，高溴化物含量在製造過程中表現不穩定。頂部表面首先乾燥並結晶，而底部則保持濕潤。這種不匹配造成了流體核心上的剛性外殼，導致薄膜出現皺褶、裂紋，並使其化學成分分離。

結果，能量被浪費，並發生嚴重的電壓損失。

解決薄膜性能限制

研究人員通過創造一種雙重處理技術來解決這一問題，該技術平滑材料表面並管理晶體的形成。這一技術通過結合針對性的溶劑浴和少量的油基氯化銨添加劑，解決了不均勻乾燥的問題。平衡的溶劑處理重新塑造並平整了頂層，而氯化物的添加使溴化物和碘化物成分同時結晶。這一聯合方法防止了過早的表面硬化，創造了整個材料中光滑且結構均勻的薄膜。

單體三接合電池結合了三層相互連接的光吸收層，每層設計具有不同的帶隙，以針對太陽光譜的不同部分。消除表面皺褶和結構缺陷使得三層太陽能電池的優化達到最佳能量捕獲。頂部的 2.0 eV 子電池實現了高開路電壓 1.46 V，並配備 1.60 eV 的中間層以匹配光譜，及 1.22 eV 的底層以吸收深紅外。這一單體三接合配置共同實現了創紀錄的 30.1% 功率轉換效率，並經獨立認證為 29.3%。

未來應用與研究方向

研究人員指出：「最終的 UWBG 鈣鈦礦薄膜顯示出均勻的表面潛力、抑制非輻射重組、改善載流子遷移率及開路電壓 1.46 V。」該技術不僅有效，且持久。據報導，完成的電池在模擬陽光下的連續最大功率運行 569 小時後，仍保留超過 90% 的初始效率。在完成初步實驗室測試後，研究團隊計劃減少電壓和填充因子損失，精煉電流匹配，並擴大裝置規模以便於更大應用。未來的研究將從初始效率測量轉向在現實操作條件下評估模組性能，特別關注輻射、紫外線、真空和熱循環耐久性，以支持潛在的太空任務。

由於避免使用重型硅晶圓，該技術指向超輕、靈活的太陽能模組，旨在用於商業屋頂、可穿戴電子設備及衞星部署。

鈣鈦礦技術的潛力與應用前景

鈣鈦礦材料在太陽能電池中展現出優越的性能，特別是在提高能量轉換效率方面。這項新技術不僅提升了效率，還解決了傳統材料在製造過程中的不穩定性問題。隨著研究的深入，未來有望在商業應用中看到鈣鈦礦電池的廣泛部署，尤其是在可穿戴設備和輕量化模組方面，這將改變市場對太陽能技術的需求和應用方式。