太阳能电池“新老结合” 探索提升光电转换性能

　　太阳为地球提供能量。在我国，古人很早就利用凹面镜的反射聚光原理制造出了太阳能“打火机”——阳燧。1839年，法国科学家埃德蒙·贝克勒尔发现了光伏效应，为后人开启了把太阳能转化为电能的探索之门。21世纪初期，随着太阳能电池转换效率不断提升、制造成本持续下降，太阳能发电产业迅速发展。

钙钛矿太阳能电池示范应用项目现场。赵睿 摄

　　前不久，由国网甘肃省电力公司电力科学研究院与大唐甘肃发电有限公司新能源分公司合作开展的钙钛矿太阳能电池示范应用项目并网发电。项目研究人员将标准钙钛矿太阳能电池转化为半透明钙钛矿太阳能电池，并在其下层放置晶硅太阳能电池，以提升太阳能电池的光电转换性能。

　　什么是钙钛矿太阳能电池?

　　太阳能电池大致可以划分为三代：第一代是以单晶硅、多晶硅太阳能电池等为代表的硅基太阳能电池，当前应用最为广泛;第二代是以碲化镉、砷化镓、铜铟镓硒太阳能电池等为代表的薄膜太阳能电池，吸光层厚度更薄，整体体积更小，然而原材料稀有且光电转换效率不高;第三代是以钙钛矿、染料敏化、量子点太阳能电池等为代表的新型太阳能电池，大多数仍处于研发阶段，尚未实现大规模商业化应用。

　　钙钛矿是一种天然矿物。如今人们常说的钙钛矿材料是指与这种天然矿物拥有相同晶体结构的一类化合物。钙钛矿太阳能电池是新型太阳能电池的重点研发方向之一。

　　钙钛矿太阳能电池的工作原理可以概括为“光子吸收-载流子分离-电荷传输-电流输出”。具体来说，当太阳光照射到钙钛矿太阳能电池上时，钙钛矿层作为吸光层会迅速吸收光子并产生电子-空穴对。由于钙钛矿材料的激子束缚能极低，这些电子-空穴对在室温下能迅速分离成自由载流子——电子和空穴。随后，电子通过电子传输层被输送到阳极，而空穴则通过空穴传输层被输送到阴极。在这个过程中，电子和空穴分别在阳极和阴极聚集积累，形成电动势。电池与外部电路相连时便能产生光电流，实现光电转换。

　　钙钛矿太阳能电池具备多重优势

　　钙钛矿太阳能电池采用钙钛矿型有机金属卤化物半导体作为吸光材料，具备多重优势，被视为最具发展潜力的太阳能电池之一。

　　第一，制造成本低。晶硅太阳能电池厚度通常超过100微米，而钙钛矿太阳能电池厚度不到1微米，原材料用量不到晶硅太阳能电池的1%，且纯度要求远远低于晶硅太阳能电池。另外，在晶硅太阳能电池的制造过程中，硅料的拉单晶环节需要超过1000摄氏度的高温，而钙钛矿太阳能电池制造过程中，一般全流程在200摄氏度以下进行，制造能耗大幅减少。

　　第二，转换效率高。钙钛矿太阳能电池在600纳米以内波段的光吸收系数是晶硅太阳能电池的10倍以上。钙钛矿太阳能电池的理论效率极限为33%，高于晶硅太阳能电池的29.4%，未来效率提升空间较大。

　　第三，温度系数低。电池本体温度每上升1摄氏度，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率会降低0.01个百分点，而晶硅太阳能电池的光电转换效率会降低0.3个百分点。在光照较好的地区，电池组件温度会达到50摄氏度，夏天时甚至会达到70摄氏度以上。这种情况下，晶硅太阳能电池的转换效率会大幅下降，而钙钛矿太阳能电池的转换效率几乎不变。

　　第四，弱光效应好。钙钛矿太阳能电池对全光谱都能很好吸收，在清晨、傍晚等弱光条件下发电效果明显优于间接带隙材料制成的晶硅太阳能电池。

　　“钙钛矿+晶硅”复合结构提升整体光伏组件的光电转换效率

　　在钙钛矿太阳能电池示范应用项目中，甘肃电科院“电博士”创新团队利用光刻技术将标准钙钛矿太阳能电池转化为半透明钙钛矿太阳能电池，并在其下层放置晶硅太阳能电池。这种复合结构设计可以综合利用钙钛矿太阳能电池在可见光波段光吸收系数高的优势，以及晶硅太阳能电池在近红外光谱区域优异的响应能力，实现光谱的互补吸收，提升整体光伏组件的光电转换效率。

　　“我们通过精确控制曝光时间和深度等参数，将钙钛矿薄膜刻蚀成特定的图形结构，如网格线、点阵等。这些图形结构有助于优化光在电池内部的传播路径，提高光的吸收效率，从而提升电池的光电转换性能。”该项目负责人介绍。

　　钙钛矿太阳能电池示范应用项目落地后，“电博士”创新团队持续开展户外条件下“钙钛矿+晶硅”复合结构太阳能电池、钙钛矿太阳能电池及晶硅太阳能电池的性能比对分析工作，涉及电池的稳定性、耐久性及对极端气候条件的适应能力等。他们将根据“钙钛矿+晶硅”复合结构太阳能电池在实际应用中的优势和不足，有针对性地推进技术改进和创新。(赵睿 谢延凯)