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《人工蛾眼技术来增强硅太阳能电池性能》

  • 来源专题：可再生能源
  • 编译者： 董璐
  • 发布时间：2015-08-18

  • 通过对蛾复眼高反射表面的质地模仿，利用嵌段共聚物自组装产生精确的和可调的纳米结构，设计在20纳米的硅太阳电池宏观范围内。这种纳米纹理与典型的抗反射涂层相比赋予宽带增透性能，显著提高性能。一个合适的抗反射涂层设计包括在高的光折射率不匹配的接口管理。最简单的方法引入一层中间光学指标之上表面来创建一个系统，产生反射光相消干涉。越来越多的覆盖，在窗口的透明涂料，或军事伪装，或太阳能电池中的应用，具有很大潜力来使用多层薄膜计划。

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相关报告

  • 《硅藻—太阳能电池技术突破的新途径》
    • 来源专题：集成电路
    • 编译者：shenxiang
    • 发布时间：2019-08-01
    • 硅藻，一种繁衍十分迅速的硅藻类植物，它们的无定型二氧化硅壳体以及独特的立体结构，可以使光在细胞内进行充分的光合作用。在人类发明硅基太阳能电池之前，自然界中的硅藻早已开始利用二氧化硅来收集太阳能。近年来，众多国内外研究人员就希望利用硅藻的光学特性来推动太阳能技术取得突破。 硅藻特殊结构发挥重要作用 藻类有200个门，10万多个种，大多数生活在海水中，能利用太阳能进行光合作用。藻类是世界上光能利用最成功、光能利用率最高的有机体，其能较少的反射太阳光，并通过网格毛孔捕获太阳能。 藻类高效利用阳光的最大秘密在于其外壳，其中单细胞的硅藻外壳是最佳模型。硅藻外壳是由结构极为复杂精密的二氧化硅组成10~50nm 的六边形微孔排列形成丝网状结构，复杂的结构能使射进的光线无法逃逸，这种纹饰繁密的藻壳不仅增强了硅藻的硬度和强度，使其具有能悬浮起来的机械性，而且提高了其运输营养物质和吸附、附着的生理功能，且阻止了有害物质进入，增强了光吸收率。 研究人员在很多具有分级多孔结构的生物材料中发现了天然的光子晶体效应，硅藻的特殊结构让它成为一种良好的光子晶体，能够大大提升光捕获效率，这种特性让硅藻在太阳能电池中发挥了重要的作用。 硅藻天然材料降低所需成本 硅藻这种微小生物对有机太阳能电池(相较于传统太阳能技术，这种技术成本更低)的设计有着独特的价值。因为设计这些电池的一个挑战是，它们需要非常薄的活性层(只有100到300纳米)，而这限制了它们将光能转化为电能的效率。 解决这个问题的方案便是嵌入能够吸收与分散光的纳米结构来提高吸收水平，但这对于大规模生产来说太贵了。而这恰恰就是硅藻能够起作用的地方。经过数十亿年的适应性进化，它们已经尽可能优化了吸收光的能力。而且它们是自然界中最常见的浮游植物，这就意味着它们很便宜。硅藻在世界各地的海洋和淡水中非常普遍，因而成本非常低，所以它们成为改善光伏发电的理想选择。 硅藻有效提高能量转换效率 藻类外壳利用阳光的构筑是未来太阳能电池原材料和模型构筑的最佳供体。有机光伏太阳能电池具有由有机聚合物制成的活性层，这意味着它们比常规太阳能电池便宜，但它们的转换效率不太高，主要因为其有源层非常薄，通常需要小于300纳米，因此这限制了转换效率。 而利用硅藻的光学特性，将硅藻加入到染料敏化太阳能电池（是以低成本的纳米二氧化钛和光敏染料为主要原料，模拟自然界中植物利用太阳能进行光合作用，将太阳能转化为电能）的二氧化钛薄层后，能量转换效率是原转换效率的1.3-1.4倍（而把硅藻壳体加入到二氧化钛中烧结形成电池阳极，增加了光捕获和在电池中的散射性能，传统二氧化钛覆膜３遍的转换效率为3.8%，加入了硅藻壳体的二氧化钛转换效率可以达到5.26%）。 硅藻对于人类来说就是一个未开发的宝藏，除了在太阳能光伏材料上能有效的突破目前的能量转换效率，而且在其他领域还有着相同重要的应用。例如硅藻细胞代谢产生的多糖、蛋白质、色素、油脂等，使其在食品、医药、基因工程、液体燃料等多个领域都有极大的开发前景。 通过硅藻壳生产的微纳米二氧化硅是自然界独一无二、纯度极高的生物无机材料，也是最佳微纳生物平台材料，当然硅藻在养殖过程中也能吸收二氧化碳释放大量氧气，对环境有着巨大的贡献。
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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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