新型“串联”太阳能电池可利用更多阳光

麻省理工学院-斯坦福大学团队生产的整体钙钛矿-硅多结太阳能电池的测试样品。

通过结合两种类型的光伏材料，麻省理工学院和斯坦福大学的研究人员开发了一种利用更多阳光的新型“串联”太阳能电池。

麻省理工学院和斯坦福大学的研究人员已经开发出一种新型的太阳能电池，该太阳能电池结合了两层不同的吸收阳光的材料，以便收集更广泛的太阳能量。研究人员说，这种发展可能会导致光伏电池比目前在太阳能发电设备中使用的光伏电池更高效。

这种新电池使用一层硅（这是当今大多数太阳能电池板的基础），但增加了一种称为钙钛矿的半透明材料，可以吸收高能粒子。与同一团队的成员在今年早些时候报道的较早的“串联”太阳能电池不同，前者是将两层物理堆叠在一起，但每层都有各自独立的电连接，而新版本则将两层作为一个单独的设备连接在一起。只需要一个控制电路。

麻省理工学院的研究生乔纳森·梅洛亚（Jonathan Mailoa）在《应用物理学快报》上发表了新发现。机械工程副教授Tonio Buonassisi；斯坦福大学的Colin Bailie和Michael McGehee；和另外四个。

Mailoa解释说：“不同的层吸收了阳光的不同部分。”在较早的串联太阳能电池中，两层光伏材料可以彼此独立运行，并需要它们自己的布线和控制电路，从而可以独立调整每个电池以获得最佳性能。

相比之下，Mailoa说，新的组合版本应该更易于制造和安装。他说：“它具有简单性方面的优势，因为它的外观和操作就像一个硅电池一样，”他只需要一个电气控制电路就可以了。

一种折衷是，所产生的电流受到两层中较小的一层的容量的限制。Buonassisi解释说，电流可以认为类似于流经管道的水量，该水量受管道直径的限制：他说，如果您连接两个长度不同的管，一个接一个，则“水量受最窄的管的限制”。串联组合两个太阳能电池层对电流具有相同的限制作用。

为了解决该限制，该团队旨在尽可能精确地匹配两层的当前输出。在这种概念验证的太阳能电池中，这意味着总输出功率与常规太阳能电池的输出功率大致相同；该小组现在正在努力优化该输出。

钙钛矿已被研究用于包括太阳能电池在内的潜在电子用途，但这是它们首次成功与这种配置的硅电池配对，这一壮举带来了许多技术挑战。现在，该团队正在集中精力提高混合太阳能电池可实现的功率效率（将阳光能量转化为电能的百分比）。在此初始版本中，效率为13.7％，但研究人员表示，他们已经找到了将其提高到30％的低成本方法，这是对当今商用硅基太阳能电池的实质性改进，他们说，这项技术最终可以实现功率效率超过35％。

他们还将探索如何轻松制造新型器件，但是Buonassisi说，这应该相对简单，因为这种材料可以通过与传统硅电池制造非常相似的方法来制造。

一个障碍是使材料足够耐用以使其在商业上可行：钙钛矿材料在露天环境中会迅速降解，因此需要对其进行改性以提高其固有耐用性，或者将其封装以防止暴露于空气中-不会显着增加制造成本且不会降低性能。

Buonassisi说，这种精确的配方可能不会证明对更好的太阳能电池而言是最有利的，但它是值得探索的几种途径之一。他说：“我们目前的工作是为世界提供选择。”“市场将在其中选择。”

与这项研究无关的澳大利亚新南威尔士大学教授马丁·格林说：“我认为这项工作意义重大。”“这项工作对于建立概念验证非常重要，并将通过这种方法激发更高的效率。… 这是在该领域进一步开展工作的绝佳起点。”

该研究小组还包括麻省理工学院的Eric Johlin博士14和博士后Austin Akey，以及斯坦福大学的Eric Hoke和William Nguyen。它得到了湾区光伏联盟和美国能源部的支持。

出版物：Jonathan P. Mailoa等人，“通过硅隧道结实现的2端子钙钛矿/硅多结太阳能电池”，应用物理来吧106，121105（2015）; doi：10.1063 / 1.4914179

图像：菲利斯·弗兰克尔（Felice Frankel）