研究人员创造了太阳能电池效率的新世界纪录

诸平

Fig. 1 Next Generation Solar Panels Illustration

Fig. 2 The left-hand side shows a contacted tandem solar cell in the solar simulator at the University of Wuppertal, the right-hand side the apparatus for measuring the energy levels using photoelectron spectroscopy at the University of Cologne. Credit: left: Cedric Kreusel, Wuppertal, right: Selina Olthof, Cologne

据德国科隆大学(University of Cologne)2022年4月13日提供的消息，德国和英国的科学家合作开发了一种串联太阳能电池（Researchers Set New World Record for Solar Cell Efficiency），其效率达到24%——这是根据光子转换成电能(即电子)的比例来衡量的。这是迄今为止有机和钙钛矿（perovskite）基吸收剂的最高效率的世界纪录。此太阳能电池是由德国伍珀塔尔大学（University of Wuppertal）教授托马斯·里德尔（Thomas Riedl）博士小组和来自科隆大学物理化学研究所（Institute of Physical Chemistry）的研究人员以及其他项目的合作伙伴一起开发的。其他项目的合作伙伴包括来自德国波茨坦大学 （University of Potsdam）、德国柏林亥姆霍兹中心（Helmholtz-Zentrum Berlin）、柏林科技大学（Technical University Berlin）、德国杜本根大学（University of Tübingen）、德国马普研究所（Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH）以及英国剑桥大学（University of Oxford）的研究人员。相关研究结果于2022年4月13日已经在《自然》（Nature ）杂志网站发表——K. O. Brinkmann, T. Becker, F. Zimmermann, C. Kreusel, T. Gahlmann, M. Theisen, T. Haeger, S. Olthof, C. Tückmantel, M. Günster, T. Maschwitz, F. Göbelsmann, C. Koch, D. Hertel, P. Caprioglio, F. Peña-Camargo, L. Perdigón-Toro, A. Al-Ashouri, L. Merten, A. Hinderhofer, L. Gomell, S. Zhang, F. Schreiber, S. Albrecht, K. Meerholz, D. Neher, M. Stolterfoht, T. Riedl. Perovskite–organic tandem solar cells with indium oxide interconnect. Nature, 2022, 604: 280–286. DOI: 10.1038/s41586-022-04455-0. Published: 13 April 2022. https://www.nature.com/articles/s41586-022-04455-0

传统的太阳能电池技术主要基于半导体硅，现在被认为是“最好的”。它们的效率的显著提高——也就是说，每收集一瓦特太阳辐射就能收集到更多瓦特的电能——几乎是不可能的。这就更有必要开发新的太阳能技术，为能源转型做出决定性的贡献。本工作将两种这样的替代吸收材料结合在一起。这里使用了有机半导体，这是一种碳基化合物，在一定条件下可以导电。它们与基于铅卤素化合物(lead-halogen compound)的钙钛矿配对，具有出色的半导体性能。与传统的硅电池相比，这两种技术在生产过程中所需要的材料和能源都要少得多，这使得太阳能电池更具有可持续性成为可能。

上述图2左边显示的是伍珀塔尔大学太阳模拟器中接触式串联太阳能电池，右边是科隆大学利用光电子能谱测量能量水平的仪器。左边的照片是由伍珀塔尔大学的塞德里克·克鲁塞尔（Cedric Kreusel）提供；右边的照片是由科隆大学的塞琳娜·奥尔索夫（Selina Olthof）提供。

由于阳光由不同的光谱（即颜色）组成，高效的太阳能电池必须将尽可能多的阳光转换成电能。这可以通过所谓的串联电池来实现，在串联电池中，不同的半导体材料被组合在太阳能电池中，每一种材料吸收不同范围的太阳光谱。在目前的研究中，有机半导体用于紫外和可见光部分的光，而钙钛矿可以有效地吸收近红外。类似的材料组合在过去已经被探索过，但现在该研究团队成功地显著提高了它们的性能。

在此项目开始时，世界上最好的钙钛矿/有机串联电池的效率约为20%。在伍珀塔尔大学(University of Wuppertal)的领导下，科隆大学的研究人员和其他项目合作伙伴能够将这一数值提高到前所未有的24%。科隆大学物理化学研究所（University of Cologne’s Institute of Physical Chemistry）的塞琳娜·奥尔索夫博士说:“为了达到如此高的效率，太阳能电池内部材料之间的界面损耗必须最小化。为了解决这个问题，伍珀塔尔大学的研究小组开发了一种所谓的互联（interconnect）技术，它将有机次电池（organic sub-cell）和钙钛矿次电池（perovskite sub-cell）通过电子和光学方式连接起来。”

作为互连线，太阳能电池中集成了一层厚度仅为1.5纳米的氧化铟（indium oxide）薄层，以尽可能降低损耗。科隆大学的研究人员在评估界面和互连线的能量和电气性能方面发挥了关键作用，以确定损耗过程并进一步优化组件。伍珀塔尔大学研究小组的模拟表明，这种方法在未来可以实现效率超过30%的串联电池。

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Abstract

Multijunction solar cells can overcome the fundamental efficiency limits of single-junction devices. The bandgap tunability of metal halide perovskite solar cells renders them attractive for multijunction architectures¹. Combinations with silicon and copper indium gallium selenide (CIGS), as well as all-perovskite tandem cells, have been reported^2,3,4,5. Meanwhile, narrow-gap non-fullerene acceptors have unlocked skyrocketing efficiencies for organic solar cells^6,7. Organic and perovskite semiconductors are an attractive combination, sharing similar processing technologies. Currently, perovskite–organic tandems show subpar efficiencies and are limited by the low open-circuit voltage (V_oc) of wide-gap perovskite cells⁸ and losses introduced by the interconnect between the subcells^9,10. Here we demonstrate perovskite–organic tandem cells with an efficiency of 24.0 per cent (certified 23.1 per cent) and a high V_oc of 2.15 volts. Optimized charge extraction layers afford perovskite subcells with an outstanding combination of high Voc and fill factor. The organic subcells provide a high external quantum efficiency in the near-infrared and, in contrast to paradigmatic concerns about limited photostability of non-fullerene cells¹¹, show an outstanding operational stability if excitons are predominantly generated on the non-fullerene acceptor, which is the case in our tandems. The subcells are connected by an ultrathin (approximately 1.5 nanometres) metal-like indium oxide layer with unprecedented low optical/electrical losses. This work sets a milestone for perovskite–organic tandems, which outperform the best p–i–n perovskite single junctions¹² and are on a par with perovskite–CIGS and all-perovskite multijunctions¹³.