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钙钛矿提高太阳能电池效率

钙钛矿太阳能电池的寿命和转换效率可望持续提高,一旦铅问题也解决了,钙钛矿材料将有助于提高太阳能电池的性能,促进可再生能源的利用……

太阳能电池(solar cell)已经出现许多年了,但至今尚未能对于整体电力生产带来重大贡献。近年来,太阳能电厂虽然如雨后春笋般涌现,但可能造成环境污染的化石燃料仍然占据主导地位。尽管如此,对于如何为太阳能电池提高能源效率和成本的研究仍在持续进行中。

2018年7月,Imec和EnergyVille宣布共同开发的太阳能电池达到了27.1%的效率新高记录。预计在本文发表之际,这项记录可能还会有新的突破。事实上,根据Imec指出,研究人员采用钙钛矿搭配硅晶太阳能电池的方法,已经达到30%的效率了。

钙钛矿是什么?

钙钛矿是一种与钛酸钙(calcium titanite)具有相同晶体结构的材料。研究人员将钙钛矿材料配置于硅晶太阳能电池的顶部,藉由使硅的热化损耗降至最低,同时从阳光中发电,从而提高了效率。Imec/Energyville研究员Manoj Jaysankar表示,「钙钛矿预计将成为目前硅晶太阳能电池的附加价值,它不但显著提高了效率,而且仅增加了一点点的成本。」

「钙钛矿极具发展前景,因为它具有优质的电气特性——就像硅(Si)或砷化镓(GaAs)的表现一样出色,加上它的材料成本低、太阳能电池的制造成本低,而且由于是一种薄膜技术,因而也可以在软性基板上制造。」Manoj并补充说:「尽管钙钛矿太阳能电池的电气性能相当于现有的太阳能电池技术,但我们并不希望它取代现有技术,而是期待它能在软性、建筑物整合等新市场发挥作用。」

研究人员使用自旋涂布技术——这只是几种可能的技术之一——将液态钙钛矿材料沉积在基板上,此外,还使用了刮刀式涂布、点滑涂布和喷墨印刷等方法。为了达到27.1%的效率,研究人员在4 cm²的硅晶太阳能电池顶部添加了一个0.13cm²的自旋涂布钙钛矿电池。由于效率随着电池尺寸的增加而降低,当钙钛矿模块尺寸增加4 cm²并置于4 cm²的硅晶电池上时,所测得的效率下降至25.3%。即使以这样的尺寸来看,这种组合式太阳能电池的效率仍然超过独立型的硅晶电池。

Imec研究人员打造了一个四端的太阳能电池,如图1所示。顶部是钙钛矿太阳能电池,透过光学耦合至底下的硅晶电池,并分别提取来自两个电池的电量。钙钛矿和硅晶的结合提高了整体转换效率。根据Manoj表示,独立型硅晶电池的效率为23%。此外,还有串联太阳能电池的双端版本,其中顶部和底部电池的电量可加以整合。虽然这确实减少了提取电量所需的电子组件数,但是由于一天中不同时间的可变光谱范围,导致其产生的电量较低。采用四端配置的两个电池则仅以光学方式连接。从这些和之前的研究结果来看,效率增益似乎更胜于太阳能电池及其电子装置的额外增加的制造成本。

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图1:Imec研究人员采用由钙钛矿(顶部)结合硅晶(底部)组成的太阳能电池。两种电池之间透过光学耦合,带来比单硅晶电池更高的电源转换效率(来源:Imec)

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Martin Rowe
"EE Times/EDN资深测试与量测技术编辑。Martin Rowe在《测试和测量世界》担任技术编辑和高级技术编辑达20年,其中包括担任EDN Design Ideas编辑三年。在此期间,Martin的报道涵盖了大部分的技术和公司,包括台式仪器,如示波器、仪表、信号​​源及其应用。他最喜欢这些仪器的应用包括高速信号测量、基本测量(电压/电流/功率)、校准和EMC/EMI/RFI。所有这些都直接适用于连接器和连接性能。从2004年到2012年,为了了解工程师是如何进行测试的,Martin访问了多家公司,包括Bose,DeWalt和Tyco Electronics(现为TE Con​​nectivity)。 让Martin出名的还有他的音乐——他写了六首描述工程师生活的歌曲。这一切始于2006年的“测量蓝调(Measurement Blue)”,证明了任何事情都能用蓝调写出来,连接器都成了Martin的歌。 “Below a GigaHertz”这首歌向那些还工作在1GHz以下信号的工程师致敬,他们是古老历史的见证者。 Martin曾在IEEE EMC Symposia上现场演出了“The Measurement Blues”和“The Lab in the corner”。 Martin拥有伍斯特理工学院的电子工程学士学位和宾利学院的MBA学位。"
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