南昌大学姚凯团队 全纹理叠層太阳能电池30.89%轉換效率

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近年来，钙钛矿/晶硅叠層太阳能电池 (tandem solar cells) 凭借其高效率和低成本等优势，成为光伏领域的研究热点。为了实现大规模的串联太阳能电池模块化生产，使用工业化 Czochralski 硅晶片制造的全纹理结构串联器件，将成为未来发展趋势。然而，传统用于调节钙钛矿界面性质的表面工程策略并不适用于微米级的纹理表面。南昌大学的姚凯教授团队在 Angewandte Chemie International Edition 期刊上发表了一项最新研究成果，他们开发了一种全新的表面钝化策略，利用动态喷涂 (DSC) 技术将氟化噻吩乙胺配体均匀地涂覆在纹理硅表面，有效地抑制了钙钛矿的相变，并提高了器件的效率和稳定性。何谓全纹理 PVK/Si 叠层太阳能电池的特性钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 的效率近年来不断攀升，已突破 25% 的瓶颈，但其长期稳定性问题仍然是阻碍其商业化应用的关键因素。为了克服单结器件的效率极限，研究人员将目光转向了串联太阳能电池。传统方法的局限性传统的表面工程策略通常使用旋涂法将配体涂覆在钙钛矿薄膜上，但这种方法难以实现对微米级纹理表面的均匀覆盖。此外，由于钙钛矿材料的敏感性，传统的旋涂方法可能会导致相变和缺陷的产生，影响器件的效率和稳定性。钙钛矿/晶硅叠層太阳能电池 (tandem solar cells) 结合了钙钛矿材料的高效率和硅材料的低成本、高稳定性等优势，展现出巨大的应用潜力，其效率已超过 30%。为了实现大规模的串联太阳能电池模块化生产，使用工业化 Czochralski 硅晶片制造的全纹理结构串联器件，将成为未来发展趋势。全纹理 PVK/Si 叠层太阳能电池的特性全纹理钙钛矿/硅（PVK/Si）叠层太阳能电池通过在硅层和钙钛矿层表面引入微米级或纳米级的纹理结构，提升了光的捕获能力和减少了光的反射损失，从而显著提高了电池的光电转換效率。这些纹理结构通常由大尺寸的金字塔或其他复杂结构组成，有助於光的多次反射和散射，進一步增强光吸收。l  光捕获效率高： 表面纹理结构增强了光的吸收，使更多的光子被转化为电能。l  减少反射损失： 纹理表面能有效减少光的反射，提高入射光的利用率。l  界面稳定性： 优化的表面结构和界面层有助於提高钙钛矿层和硅层之间的界面稳定性。l  高轉換效率： 利用全纹理结构的 PVK/Si 叠层太阳能电池已經展示了接近 30% 的轉換效率，甚至更高。全纹理 PVK/Si 叠层太阳能电池研究进展近年来，许多研究团队致力于开发高效稳定的全纹理 PVK/Si 叠层太阳能电池，并取得了显著进展。以下是一些重要的研究成果：发表年份            论文全名              主要作者2018       Fully textured monolithic perovskite/silicon tandem solar cells with 25.2% power conversion efficiency     C. Ballif2023       Efficient Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells on Industrially Compatible Textured Silicon     H. Tan2023       Buried-Interface Engineering of Conformal 2D/3D Perovskite Heterojunction for Efficient Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells on Industrially Textured Silicon        K. Yao2023       Interface passivation for 31.25%-efficient perovskite/silicon tandem solar cells      C. Ballif2023       Inorganic Framework Composition Engineering for Scalable Fabrication of Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells    H. Tan突破性成果：全纹理串联太阳能电池效率再创新高创新策略：动态喷涂技术助力表面钝化该研究团队开发了一种全新的表面钝化策略，利用动态喷涂 (DSC) 技术将氟化噻吩乙胺配体均匀地涂覆在纹理硅表面。该技术具有以下优势：l  均匀覆盖： DSC 技术可以实现对纹理表面的均匀覆盖，有效地钝化界面缺陷。l  抑制相变： 氟化噻吩乙胺配体可以抑制钙钛矿的相变，并提高薄膜的结晶质量。16 平方厘米的开孔面积，效率达到 26.3%。精准调控：三氟甲基取代，提升钝化效果研究人员从分子工程的角度出发，通过理论计算和实验结果证实，引入三氟甲基取代基可以形成偶极层，增强配体与钙钛矿表面的相互作用，并优化能级匹配，从而实现更有效的表面钝化。该团队利用 DSC 技术对氟化噻吩乙胺配体进行表面处理，成功制备了基于工业化硅晶片的全纹理钙钛矿/硅串联太阳能电池。最终，该器件实现了 30.89% 的认证稳定功率转换效率，创造了新的世界纪录。此外，封装的器件在连续光照 600 小时后仍能保持 97% 以上的初始性能，展现出优异的工作稳定性。总结与展望该研究成果为制备高效稳定的全纹理钙钛矿/硅串联太阳能电池提供了新的思路，为实现大规模的串联太阳能电池模块化生产奠定了坚实的基础。该研究团队利用动态喷涂技术和分子工程策略，实现了对钙钛矿界面缺陷的精准调控，并成功克服了传统表面工程策略在纹理表面应用的局限性。未来，可以通过进一步优化配体分子和表面处理技术，进一步提升串联太阳能电池的效率和稳定性，推动其在光伏领域的广泛应用。Fig S19. 控制组和 DSC 处理器件的高灵敏度 EQE 谱图。Fig S20.在 1 个太阳光照下测量的 c-Si 异质结底部电池 (2.5 × 2.5 cm2) 的 J-V 曲线。 由于切割造成的损坏，与整个晶片相比，小尺寸底部电池的器件性能略低。本参数采用光焱科技QE-R 光伏 / 太阳能电池量子效率测量解决方案参考文献: Surface Molecular Engineering for Fully Textured Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells. Angew. Chem推薦設備_1.      SS-PST100R AM1.5G 可变标准光谱模拟光源     具有以下特色优势：l  采用光焱最新的单氙灯光源光谱控制技术，可在单一氙灯光源下将光谱修饰，达到氙灯加卤灯双光源光谱等级。l  输出光谱由 300-1700nm 均可符合 1.5G 光谱要求其平均光谱失配 ≤ 6% (IEC 60904-9：2020) 。l  仅采用单氙灯，因此无双光源两灯泡寿命不匹配，以及一般卤灯仅 50 小时寿命之问题。l  具有A++光谱等级，其氙灯寿命可超过1,000小时，克服了双光源卤素灯灯泡寿命不到50小时之缺点。l  大幅缩减光源调校时间，并增加系统测试结果的数据重现性。l  单灯源的设计，相较多灯珠 LED 型的模拟器有更好的 SPC 光谱覆盖率与更低的 SPD 光谱偏差率，可提供更为准确的叠层太阳能电池测试结果。