新型鈣鈦礦-矽串聯太陽能電池達至 34%能量轉換效率及 2.014 伏特開路電壓新高

一種新型太陽能電池已獲得獨立認證，開路電壓達到 2.014 伏特，這是此類設備有史以來的最高數據之一。該設備的實驗室功率轉換效率達到 34.0%，經過認證的測試確認其穩態效率為 33.5%。此電池由蘇州大學及隆基中央研究院的科學家開發。串疊太陽能電池在標準矽基材上堆疊一層鈣鈦礦，能夠捕獲比普通面板更多的陽光。然而，工程師在提升性能方面長期面臨瓶頸。粗糙的矽表面使得鈣鈦礦層的平滑生長變得困難。

此外，電荷經常在必須退出電池的隱藏界面上被困住和損失，這種能量損失被稱為非輻射重組。

解決電荷損失的挑戰

過去嘗試修正這一缺陷的努力造成了一個令人沮喪的兩難局面。處理界面雖然減少了損失的電荷，但同時也形成了減緩電流流動的絕緣屏障。研究團隊通過超薄支架進行納米級工程解決了這一權衡。他們沒有應用平坦的絕緣層，而是在電池的導電氧化物和分子單層之間放置單獨的單斜結晶氧化鋯 (ZrO2) 納米顆粒。這種斑駁的佈局起到了兩方面的作用。首先，納米顆粒調整了表面能，允許液體鈣鈦礦溶液均勻擴散，從而產生密集、無空隙的薄膜，且晶粒較大。

“其次，分散的納米顆粒在界面上形成了納米級的局部接觸，”研究人員在新聞稿中表示。“氧化鋯區域提供了場效應鈍化，抑制非輻射重組，而暴露的單層通道則保留了高效的電荷抽取。”氧化鋯還具有高介電常數，能夠保護電池免受電氣波動影響，防止電荷積聚。化學測試顯示，納米顆粒與單層形成強的 Zr–O–P 鍵，創建了一個雙錨固網絡，將界面穩固地結合在一起。

納米顆粒的雙重作用

研究團隊進行了多次測試，以驗證電池的內部性能。顯微檢查顯示，經處理的整個表面電流平滑。時間解析測量確認電荷載體的存活時間幾乎增加了一倍，從 1.46 微秒提高至 2.81 微秒。該優化電池的效率達到 34.0%，開路電壓為 1.997 V，電流密度為 20.36 mA cm^-2，填充因子為 83.62%。重要的是，該設備未迅速降解。在室溫下持續模擬陽光 2,000 小時後，封裝的電池保留了 84% 的初始效率。

該項目由蘇州大學的劉江教授、張小紅教授和莫洪波博士共同領導，隆基的何博博士也參與其中，張慧敏和鄭清水作為第一作者平分貢獻。“結果顯示，經過精心設計的絕緣界面可以改善鈣鈦礦薄膜的生長並抑制重組，同時不會阻礙電荷抽取，”新聞稿總結道。“這種納米級界面設計為開發更高效和耐用的鈣鈦礦/矽串疊太陽能電池提供了切實可行的策略。”

鈣鈦礦-矽電池的技術突破

鈣鈦礦-矽串聯太陽能電池的發展顯示出其在能量轉換效率和開路電壓方面的潛力，這對於提升太陽能技術的商業化具有重要意義。研究團隊通過納米級工程成功克服了電荷損失的挑戰，這是推動該技術進一步發展的關鍵。隨著這種新型電池在長時間模擬陽光下的穩定性證明，未來可能會促進更高效且耐用的太陽能解決方案的實現，對可再生能源的推廣具有深遠影響。