虽然传统的硅基太阳能电池对世界各地可再生能源的建设产生了不容置疑的影响，但随着设备接近其实际效率极限，进一步的性能改进变得越来越困难。这一限制促使科学家们寻找可以与硅电池结合的新技术，以解锁更高的效率。
由钙钛矿晶体制成的太阳能电池就是这样一种技术，它迅速成为一种吸引人的低成本附加产品，但钙钛矿电池极易受到电压引起的变化的影响——从悬垂的树枝或附近的植物投下的阴影可以在几分钟内摧毁整个组件。
现在，来自普林斯顿大学和阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)的研究人员已经将成熟的硅太阳能电池与有前途的钙钛矿连接在串联太阳能电池中，不仅可以提高整体效率，还可以增强稳定性。发表在《焦耳》杂志上的研究结果表明，这种连接可以保护脆弱的钙钛矿太阳能电池免受电压引起的击穿，同时获得比单独使用任何一种电池更高的效率。
“串联太阳能电池已经证明了比单独使用硅或钙钛矿太阳能电池更高的能量转换效率，”研究负责人、电气和计算机工程教授、安德林格能源与环境中心的巴里·兰德说。“我们认为，除了效率更高之外，串联太阳能电池还可以通过将钙钛矿与更稳定的硅电池连接起来，解决钙钛矿面临的一些稳定性挑战。”
为了验证他们的假设，研究人员建造了三串太阳能电池:一串只含有硅太阳能电池，一串只含有钙钛矿，一串由串联太阳能电池组成，两种技术串联在一起。然后，研究人员对其中一个电池进行遮阳，以模拟太阳能电池阵列在其数十年的使用寿命中至少可能遇到一次的部分遮阳条件。
这种部分遮光通常意味着钙钛矿的厄运，因为仍然被照亮的电池迫使电荷流过现在被遮光和不活跃的电池，迅速地使电池和整个组件降解。另一方面，硅太阳能电池对电压通量的适应能力更强，并且可以忍受部分遮阳的时期，问题更少。
正如预期的那样，钙钛矿太阳能组件在部分遮阳后迅速恶化，而硅太阳能组件只受到最小的影响。然而，有趣的是，串联太阳能模块和纯硅太阳能模块一样有弹性，这意味着通过连接两种太阳能技术，硅电池能够掩盖钙钛矿的脆弱性。
“当你将两种不同的材料结合起来形成最终产品时，通常是最薄弱的环节最终决定了链条的整体强度，”合著者、KAUST材料科学与工程教授斯特凡·德·沃尔夫(Stefaan De Wolf)说。“但在这种情况下，实际上是较强的成分保护了较弱的成分。”
研究人员表示，他们的研究结果表明，部分遮阳——这是纯钙钛矿模块的主要障碍——对于串联太阳能设备来说可能是一个可以忽略不计的问题。
研究小组还表示，这些发现预示着钙钛矿的商业化前景，因为它们意味着钙钛矿在与硅太阳能电池互补时可能具有最大的潜力，而硅太阳能电池已经存在成熟的制造生态系统。钙钛矿可以被添加到硅太阳能电池的商业验证生产过程中，而不必建立一个竞争性的制造过程。
虽然该团队指出，在串联太阳能电池达到商业太阳能技术预期的使用寿命之前，除了部分遮阳之外，还有几个挑战有待解决，比如它们的耐热性差，但他们表示，在硅太阳能电池达到其功率转换效率上限后，串联设备可以使太阳能研究继续发展。
兰德说:“如果其他一些稳定性方面的挑战能够得到解决，串联太阳能电池可以从本质上利用已经成功的商业技术，使其变得更好。”“我们的研究结果有力地证明，串联装置应该成为未来太阳能研究的一个全员参与的领域。”
更多信息:徐兆建等，单片钙钛矿/硅串联太阳能电池的反向偏置弹性，Joule(2023)。DOI: 10.1016 / j.joule.2023.07.017。www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(23)00315-X期刊信息:焦耳
普林斯顿大学提供
引用l:
两种太阳能技术的结合是效率和稳定性的双赢(2023,9月5日
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