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《伊拉克研究团队优化钙钛矿-硅串联太阳能电池技术 推动商业化应用》

  • 来源专题：能源情报网监测服务平台
  • 编译者： 郭楷模
  • 发布时间：2025-06-25

  • 伊拉克中等技术大学的研究人员近期评估了钙钛矿-硅串联光伏产品的经济可行性，并确定了未来规模化生产的最佳参数。该研究通过系统化方法优化制造工艺，旨在缩小实验室高效技术与商业化生产之间的差距。

    研究团队采用了一种结合物理原理与粒子群优化(PSO)算法的综合框架，重点分析钙钛矿层的厚度、涂层速度和退火温度等因素对生产良率和成本的影响。科学家表示：“系统方法包含三个基本方面：架构组件、制造过程优化和部署性能评估。”通过PSO算法，他们确定了涂层速度10.00 m/min、退火温度151.48°C及钙钛矿厚度0.79 μm的最优组合，可实现79.9%的生产良率和10.3%的缺陷率。

    研究还模拟了从5兆瓦试点生产线扩展到100兆瓦的可行性。团队指出：“通过这个综合分析框架，我们定量地将制造工艺参数、生产经济性和基于位置的绩效指标联系起来。”优化后的生产工艺在13个月内将良率从79.9%提升至92%，同时将制造成本降至0.387美元/瓦，预计七年后可进一步降至0.25美元/瓦。

    在美国莫哈韦沙漠的测试中，钙钛矿-硅串联光伏模块的平准化能源成本(LCOE)低至0.061美元/千瓦时。研究结果已通过美国国家可再生能源实验室(NREL)的验证，证实了模型的可靠性。科学家总结道：“这项工作为经济高效的光伏系统奠定了基础。”相关成果发表于《工程成果》杂志。

  • 原文来源：https://www.nengyuanjie.net/article/115076.html
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  • 《Science：高性能钙钛矿-硅串联太阳能电池的界面工程》
    • 来源专题：先进材料
    • 编译者：李丹
    • 发布时间：2023-11-12
    • 来自材料牛 【导读】 串联太阳能电池由硅电池覆以钙钛矿太阳能电池(PSC)组成，可以提高商业批量生产的太阳能电池的效率，并且可以超过单结电池的限制，而不增加实质性的成本。目前，钙钛矿/CIGSe串联电池的功率转换效率达到24.2%，全钙钛矿串联电池达到24.8%，钙钛矿/硅串联效率最高值则为26.2%。然而，这些以钙钛矿为基础的串联太阳能电池仍然有改进的空间，因为所有这些串联技术的实际限制都远高于30%。 钙钛矿-硅串联太阳能电池，能够克服传统硅太阳能电池功率转换效率限制的可能性。为了提高光学性能，科学家已经提出了各种结构串联器件，但优化表面结构晶圆上的薄膜生长，仍然是一个挑战。 【成果掠影】 德国柏林工业大学的Steve Albrecht团队，证明了双端子单片钙钛矿-硅串联太阳能电池的改进的稳定性和效率，需要减少复合损耗。通过将三卤化物钙钛矿（1.68 eV带隙）与哌嗪碘化物界面改性相结合，改进了能带对准，降低了非辐射复合损失，并增强了在电子选择性接触处的电荷提取。特定的钙钛矿组成（3 Hal）和PI浓度（0.3mg ml-1）下，PI的主要作用不是钙钛矿表面的化学钝化，而是允许导带（CB）和最低未占据分子轨道之间的偏移显著降低（约350 mV）。因此，电子的准费米能级可以移动得更靠近钙钛矿CB边缘。此外，从电荷分离的角度来看，表面光电压测量显示在PI的存在下，在钙钛矿表面的电子选择性增加，这与已报道的PI在钙钛矿表面上的工作机制不同。太阳能电池在p-i-n单结中显示出高达1.28V的开路电压，在钙钛矿-硅串联太阳能电池中显示出高达2.00 V的开路电压。串联电池实现了高达32.5%的认证功率转换效率。该项工作以标题为：“Interface engineering for high-performance, triple-halide perovskite–silicon tandem solar cells”发表在Science上。 【核心创新点】 将具有适合于串联集成的带隙（68 eV）的3Hal钙钛矿与PI界面改性相结合，并将其与常用的氟化锂（LiF）中间层进行比较。应用钙钛矿价带顶（VBM）的详细模型结合功函数（WF）来精确地确定电离能，从而评估界面改性的可能偶极效应。 【成果启示】 目前光伏（PV）器件市场由晶体硅（c-Si）器件主导，但是钙钛矿-硅串联结构还需要提高其功率转换效率（PCE）。直接连接c-Si底电池和钙钛矿顶电池的双端子器件更有效地使用光，因为高能量光子可以被钙钛矿顶电池吸收，并且由钙钛矿透射的低能量光子可以被c-Si底电池吸收，这种方法的PCE为33.7%。然而，考虑到单片钙钛矿-硅串联晶体的详细平衡极限为45.1%，可以进行进一步的改进，特别是关于开路电压（VOC）。为了在空气质量系数（AM）1.5G太阳光谱和电流匹配条件下达到最高可能的效率，钙钛矿的最佳带隙为1.73eV。有限的钙钛矿厚度和寄生吸收将最佳钙钛矿带隙降低至~ 1.68eV。具有该带隙的钙钛矿组合物需要高溴化物含量，并且面临由相偏析引起的不稳定性，这导致VOC下降。为了解决这个问题，将有效的钙钛矿组合物与界面改性相结合。彻底的分析揭示了导致单结太阳能电池和钙钛矿-硅串联太阳能电池中的高VOC值和因此的高PCE值的机制。 原文详情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf5872
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  • 《Science:31.25%效率的钙钛矿/硅双结太阳能电池的界面钝化》
    • 来源专题：先进材料
    • 编译者：李丹
    • 发布时间：2023-11-12
    • 来自材料牛 导读 通过最大化每单位面积产生的电力，可以加快光伏（PV）的部署，因为现在PV系统的成本分布主要由系统平衡组件（如安装系统、布线、人力和逆变器）主导，而不是PV面板的成本。这种系统平衡成本与安装面积大致成比例，并且有利于具有高功率与面板面积比的PV技术。然而，结晶硅（C-Si）太阳能电池的最高功率转换效率（PCE）为26.8%，接近理论极限29.5%。在太阳照射条件下，克服这种PCE限制的唯一经验证方法是将几种互补的光活性材料（即多个结）组合在一个单一器件中（3）。在迄今为止报道的不同类型的多结设计中，c-Si与金属卤化物钙钛矿的组合在串联太阳能电池中一直是研究的焦点，因为它具有高PCE和低制造成本的潜力。 金属卤化物钙钛矿结合了多种关键特性，适用于有效的多结光伏，包括高吸收系数和尖锐的吸收边缘，具有长扩散长度的双极电荷传输，以及可调的组成能隙（Eg）。薄膜钙钛矿太阳能电池可以直接沉积在c-Si电池的正面，以降低热化损失并将可实现的PCE范围扩展到>30%。单片两端串联结构的性能潜力通过报告的在1平方厘米照射面积上高达33.7%的PCE得到了证明。迄今为止报告的大多数高效串联电池使用一个Si晶片，其前表面经过机械或化学抛光，或者具有比钙钛矿层厚度更小的适应性亚微米纹理（通常为500纳米至1毫米）。这种平面或纳米纹理的正面拓扑结构——通常通过蚀刻PV行业中常用的制备成几微米高度的金字塔——使得可以使用标准的溶液在基体上面沉积无针孔的钙钛矿薄膜。然而，这种修改以光学性能为代价，因为串联电池的正面是平坦的，并且当使用亚微米级的Si纹理时，因为非均匀性的溶液处理的使钙钛矿膜平坦化。因此，由于缺乏反弹效应，这些电池设计在串联的正极处呈现了更多的反射损失。总的来说，串联器件的正面具有金字塔纹理可以限制反射损失，因为它可以吸收邻近金字塔反射的光线，而Si晶片两侧都具有纹理则可以提高对红外光的吸收能力。 我们先前报道了一种混合的两步沉积方法，将热蒸发和旋转涂相结合，以使钙钛矿层覆盖在微米级Si金字塔上，从而在后表面和前表面都具有纹理的钙钛矿/c-Si串联电池中进行了覆盖。尽管这些串联电池由于前面的金字塔纹理而具有较高的光电流，但非辐射复合损失相当大。其中一个挑战是迄今为止大多数报告的顶表面钝化方法不能直接适用于微米级纹理，因为它们涉及从液体溶液中沉积纳米级有机层。并且，这些加工路线通常在这种表面纹理上产生非均匀（不完全）的涂层。 成果掠影 鉴于此，洛桑联邦理工学院微电子研究所Xin Yu Chin在之前的工作基础上，利用磷酸化合物在两个不同的角色中来钝化界面缺陷，设计了一种串联器件，将钙钛矿层覆盖在具有微米级金字塔纹理的硅底部电池上，以提高光电流。在处理序列中使用添加剂，调节钙钛矿的结晶过程，并减轻发生在钙钛矿顶部与电子选择性接触（富勒烯C60）之间的复合损失。我们展示了一个有效面积为1.17平方厘米的器件，实现了31.25%的认证功率转换效率。相关研究成果以“Interface passivation for 31.25%-efficient perovskite/silicon tandem solar cells”为题，发表在顶级期刊《Science》上。 核心创新点 本文的核心创新点是通过在钙钛矿/C-Si太阳能电池中采用具有微米级纹理的硅片、优化钙钛矿沉积过程并使用磷酸基团进行界面钝化，成功减轻了非辐射复合损失，实现了高达31.25%的电池转换效率。 成果启示 本文确定并减轻了发生在具有微米级纹理的硅片的钙钛矿/c-Si串联电池界面的非辐射复合损失，这是c-Si光伏中使用的工业标准。使用Me-4PACz减少了钙钛矿/HTL界面的电压损失，而在钙钛矿沉积序列中加入FBPAc减少了钙钛矿/C60 ETL界面的电压损失，并导致具有较大结晶领域的更有利的钙钛矿微观结构。通过XPS和SIMS成像，可以看到FBPAc存在于钙钛矿顶部表面，并通过其磷酸基团与钙钛矿中的铅缺陷发生配位作用。总的来说，将具有微米级纹理的c-Si、使用混合的两步法在此纹理上均匀沉积的1毫米厚钙钛矿吸收层以及吸收层两侧的磷酸基团结合起来，以改善界面钝化效果，实现了一个独立认证的31.25% PCE的串联电池。这些结果表明，如何将具有标准工业微米级纹理的c-Si太阳能电池升级，以将其PCE提高到>30%。 原文详情： 原文详情:Xin Yu Chin et al. Interface passivation for 31.25%-efficient perovskite/silicon tandem solar cells.Science381,59-63（2023）.DOI:10.1126/science.adg0091.
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