顛覆！新型鈣鈦礦太陽能電池的轉換效率預計接近40％
光伏產業網訊
發布日期：2020-02-04
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顛覆！新型鈣鈦礦太陽能電池的轉換效率預計接近40％
在鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池架構中，一種新材料具有驚人的38％理論最大轉換效率，顯示出巨大的潛力。
當前，對全球氣候變化的強烈關注將影響并且已經在影響地球上的所有生物。為了防止所謂的“熱土”的產生并滿足《巴黎協定》的要求，清潔能源的使用和開發應超過當前水平。因此，人們對低成本太陽能電池模塊的開發寄予厚望。
目前，晶體硅（Si）是代表性的太陽能電池材料，占各種類型太陽能電池板的90％以上。然而，隨著硅太陽能電池板的轉換效率達到其理論極限，其降低成本的速度變得越來越慢。為了實現可再生太陽能發電成本的大幅度降低，正在尋找新的太陽能電池材料的研究。
近年來，太陽能電池研究取得了重大突破-在混合鈣鈦礦太陽能電池中實現了高轉換效率。鈣鈦礦是具有簡單立方對稱性的晶體結構，雜化鈣鈦礦由有機陽離子和無機籠結構組成。
相當引人注目的是，硅基太陽能電池需要半個世紀的時間才達到26.7％的轉換效率，但僅僅十年就足以開發出具有類似效率的鈣鈦礦混合型太陽能電池。然而，雜化鈣鈦礦本質上是不穩定的，在光照、熱（~100°C）和暴露于空氣下會顯示出快速的相變。此外，對于大面積應用，雜化鈣鈦礦中有毒鉛原子的存在是非常不利的。
為了尋找鈣鈦礦材料的替代品，岐阜大學的Hiroyuki Fujiwara教授研究團隊與東京工業大學的Hidenori Hiramatsu和Hideo Hosono教授一起對硫屬鈣鈦礦材料進行了新的研究。硫屬化物代表VI族原子，例如硫和硒，并且硫屬鈣鈦礦的化學式簡單表示為ABS3（A表示堿土金屬，B表示早期過渡金屬）。
在今天發表在Solar RRL上的文章中，報告了含有BaZrTiS3的硫屬鈣鈦礦合金的制造，以將帶隙調整到適當的值（~1.6 eV）。這種材料具有巨大的潛力，在鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池結構中，其理論最大轉換效率高達38％，令人印象深刻。
在此制造之前，已經發現多個硫屬鈣鈦礦，例如BaZrS3，SrZrS3，BaHfS3和SrHfS3，都表現出非常強的光吸收性能，其光吸收強度（吸收系數）超過10^5/cm，與所有現有的太陽能電池材料相比要高得多。
如此顯著的光吸收特性可形成超薄太陽能電池，從而易于收集光生載流子（即電子和空穴）并提高轉換效率。理論計算成功地解釋了在硫屬鈣鈦礦中觀察到的相當強的光吸收源自鈣鈦礦結構形成的獨特的硫軌道。
這些僅由無毒元素組成的硫屬鈣鈦礦材料非常穩定，Hiroyuki Fujiwara教授團隊發現的這些材料的優異光學性能將對太陽能電池器件的未來研究產生重大影響。為了實現硫屬化物-鈣鈦礦型太陽能器件，開發合適的薄膜形成技術至關重要。利用這種處理技術，可以實現太陽能電池板的批量生產。