近年来钙钛矿太阳能转换效率进步飞速,十年间已经跃升到 24% 以上,不过效率升幅多多益善,最近意大利科学家更为钙钛矿电池新添战力,在钙钛矿电池中加入神奇材料石墨烯(Graphene),最终研发出钙钛矿-硅串叠型太阳能,其效率已达 26.3%。
钙钛矿是著有相同晶体结构化合物的通称,会因为组成材料的差异、有着不同的性能,转换效率也各有高低,不过在该实验中,意大利创新技术──能源与环境组织(ENEA)与罗马第二大学科学家并没有采用较常见的三碘合铅酸甲基铵(MAPbI3)钙钛矿,考量到需要较高的光学能隙与稳定性,他们用混合阳离子与混合卤化物钙钛矿进行实验。
科学家将石墨烯薄膜沉积在钙钛矿的二氧化钛(TiO2)电子传输层上,其中钙钛矿太阳能的电池结构大多为阴极-电子传输层-钙钛矿的光吸收层(主动层)-电洞传输层-阳极组成,透过将石墨烯沉积在二氧化钛前体与奈米粒子上,进而提高钙钛矿薄膜的化学稳定性与耐用性,最后再把最佳化后钙钛矿电池机械式堆叠(mechanically stacked)在 HJT 异质结硅晶太阳能上方。
现在有愈来愈多科学家秉持着两人合力事倍功半的精神,将两种不同太阳能材料串联,盼提高太阳能转换效率,但两种材料合作过程总有摩擦,若要串联钙钛矿与高效率硅晶太阳能板,可能会影响电池的高温与固态制程,底层硅晶太阳能吸收红光、红外光的效率也会大打折扣。
因此意大利科学家决定先单独并最佳化制造钙钛矿与硅晶电池,最后在介观(mesoscopic)角度下,将上层钙钛矿电池的背面电极与底下硅晶电池已纹理化、金属化的正面电极相结合,科学家希望可以透过设计钙钛矿层的电洞传输层、阳极,以及石墨烯电子传输层,最终降低反射光损失(optical losses)。
目前意大利科学家已研发出 1.43 平方公分的钙钛矿-硅太阳能电池,转换效率最高已达 26.3%,平均落在 25.9%,专案负责人 Aldo Di Carlo与 Mario Tucci 表示,过去已知石墨烯可提高钙钛矿太阳能电池效率,而在新研究中,团队还发现在钙钛矿电子传输层加入石墨烯之后,并不会影响底下硅晶太阳能吸收红光和红外光。
目前研究已发表在《Joule》。
- ENEA & Tor Vergata University Of Rome Achieve 26.3% Perovskite & Silicon Tandem Solar Cell Efficiency Using Graphene-Doped Mesoporous Electron Selective Layer
- Mechanically Stacked, Two-Terminal Graphene-Based Perovskite/Silicon Tandem Solar Cell with Efficiency over 26%
- A graphite-doped tandem perovskite cell with 26.3% efficiency
(首图来源:ENEA)