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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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  • 《Caelux 开发四端配置的钙钛矿-硅串联太阳能电池》
    • 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：2025-04-14
    • 钙钛矿有望在全球太阳能发展中发挥关键作用。随着研发不断取得突破，钙钛矿市场正在迅速成熟。随着硅基太阳能电池的逐步发展，逐渐接近其理论极限，钙钛矿串联材料的出现进一步提高了效率。钙钛矿本身可以用作太阳能电池的活性材料，并且可以沉积成极薄的层状，这为许多不同应用打开了大门。目前，钙钛矿主要以叠层形式进行探索，沉积在传统的硅太阳能电池上。 太阳能电池板的效率越高，总系统成本就越低，从住宅屋顶等受限区域获得的电力就越多。 隆基目前保持着硅太阳能电池效率的最高纪录，略高于27%。该公司最近利用硅-钙钛矿叠层实现了34.6%的效率。德国弗劳恩霍夫太阳能研究所(Fraunhofer ISE)的研究人员模拟了叠层的实际效率，最高可达39.5%，远远超过硅本身的效率。 Caelux 首席技术官 Ernest “Charlie” Hasselbrink 表示，钙钛矿串联材料可用于各种规模的太阳能产品和项目，从移动设备到公用事业规模的太阳能项目，但最令人兴奋的直接应用之一可能是屋顶太阳能。 2T 或 4T 目前业界正在探索两种主要架构：两端(2T)和四端(4T)架构。4T串联结构的两个电池之间具有独立的电气连接，而2T架构则是串联的。 虽然隆基创下的串联电池纪录是基于2T架构创造的，该架构的效率提升略高，但哈塞尔布林克认为4T串联电池的应用前景更佳，原因如下。随着人们不断探索钙钛矿化学技术，以提高该领域的可靠性和长期性能，4T架构或将为研究人员提供更灵活的选择。 首先，4T钙钛矿可以放置在与硅太阳能电池完全分离的基板上，而2T则不能。这一点可能很重要，因为它可以减少钙钛矿开发人员对基板选择的限制，从而可能带来更耐用的设计。性能的耐久性仍然是钙钛矿在实际应用中需要解决的核心问题。 “我们的方法是，把材料涂在玻璃上，这样我们的客户，也就是传统的硅组件制造商，几乎不需要做任何改变，”哈塞尔布林克说。“他们可以按照自己的方式生产面板。” 此外，4T 为带隙设计提供了更好的灵活性。带隙是指将半导体中的电子激发到更高能态所需的最小能量。对于 2T 串联结构，电流必须匹配，这意味着一旦选定了电池的带隙，钙钛矿电池带隙的灵活性就会受到限制。而 4T 则提供了更宽的解空间，为更稳定的化学反应提供了更大的灵活性。 哈塞尔布林克表示，通过将4T钙钛矿放置在其自身的基底上，它们可以受益于化学、机械和电气隔离。通常，2T串联结构会沉积在硅电池的纹理表面上，这会带来略微更好的光吸收效果，但这也可能给钙钛矿开发人员在探索不同的化学和机械配置时带来限制。 “为什么要为了一点小利益而限制解决空间呢?”哈塞尔布林克说。 Hasselbrink 表示，4T 串联结构的另一个优势在于，它必须实现电压匹配而非电流匹配，这有利于工艺和设计灵活性。超过 10-15% 的电流失配会对电池的耐用性造成重大挑战，如果旁路不当，会导致电池温度过高。相比之下，4T 串联结构是电压匹配的。 “太阳能电池的电压与辐照度的依赖关系很小——即使辐照度下降一半，电压也只会下降约5%。”哈塞尔布林克说道，“这不足以造成任何严重的不匹配、性能损失或可靠性问题。” 可扩展性 哈塞尔布林克表示，钙钛矿所实现的许多引人注目的领先效率都是采用非经济可行的工艺实现的，并且往往忽略了可能大规模出现的制造缺陷问题。 他表示，Caelux 在开发实验室流程时充分考虑了可扩展性，使用的设备要么是小型设备，要么是由与生产设备相同的供应商生产的。他表示，这种方法简化了从研究到制造的过渡。 注重耐用性 哈塞尔布林克警告说，研发界可能过于注重效率的提高，而应该更多地关注耐用性和可靠性，这仍然是钙钛矿最重要的创新因素。 “国家可再生能源实验室的效率图表让学术团队有机会通过实现最佳效率，在世界舞台上扬名立万，”哈塞尔布林克说道。“创建类似的耐久性图表可能具有巨大的价值：在精心策划的户外测试以及特定的标准化加速测试(可提供更快的反馈)中，都展现出最佳性能。” 他说，实验室重视报告的可靠性可能会引导研究界朝着更重要的方向发展。
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