中國南京大學和加拿大多倫多大學的一組研究人員最近製造了全鈣鈦礦串聯太陽能電池(PSC)，這是一種具有關鍵鈣鈦礦結構成分的太陽能電池。在Nature Energy的一篇論文中介紹的這些新太陽能電池可實現卓越的效率，優於其他現有解決方案。
該研究的首席研究員Hairen Tan說：“這項研究工作的最初想法是製造比單結鈣鈦礦太陽能電池更高效的全鈣鈦礦串聯太陽能電池。”
鈣鈦礦是與鈣鈦礦具有相同晶體結構的一組礦物，鈣鈦礦是一種黃色，棕色或黑色的礦物，主要由鈦酸鈣組成。在過去的幾年中，世界各地的多個研究團隊一直在嘗試使用這種材料開發太陽能電池，通常利用寬帶隙(1.8 eV)或窄帶隙(1.2 eV)的鈣鈦礦。
製造全鈣鈦礦串聯太陽能電池，從而將寬禁帶和窄禁帶鈣鈦礦組合在一起，可以產生比單結電池更高的功率轉換效率(PCE)，而不會增加製造成本。然而，為了構建這種新型的太陽能電池，研究人員需要找到一種方法來增強每個子電池的性能，同時還要將寬帶隙和窄帶隙電池進行協同集成。
“不幸的是，以前報道混合的Pb-Sn窄帶隙鈣鈦礦太陽能電池都表現出低的效率(PCE18-20%)和低的短路電流密度(j SC 28-30毫安/釐米2)，” Tan說。“它們遠低於其潛力，也低於最佳的基於鉛的單結鈣鈦礦電池的性能。”
在先前開發的窄帶隙鈣鈦礦太陽能電池中觀察到性能差的主要原因是其關鍵成分之一，即Sn 2+，容易氧化成Sn 4+。結果，所得的細胞膜顯示出高的陷阱密度和短的載流子擴散長度。在研究中，Tan和他的同事們希望找到可以幫助克服這一侷限性的解決方案。
Tan說：“我們這項工作的主要目標是啟動一種策略，以擴大窄帶隙鈣鈦礦型太陽能電池的擴散，從而獲得性能更好的串聯式太陽能電池。Sn空位通常是由於在混合的Pb-Sn鈣鈦礦中摻入Sn 4+(Sn 2+氧化產物)引起的。我們認為，一種防止前體溶液中Sn 2+氧化的新策略可以大大改善電荷載流子的擴散長度。”
Tan和他的同事介紹了一種新的化學方法，該方法最終可以提高PSC的性能。該方法基於補償反應，該反應導致混合的Pb-Sn窄帶隙鈣鈦礦的電荷載流子擴散長度顯著提高。
先前提出的方法均以亞微米擴散長度為特徵，這會損害電池的整體效率。另一方面，Tan和他的同事在他們的工作中實現了3μm的擴散長度。一項非凡的成果，使打破性能記錄的Pb-Sn電池和全鈣鈦礦串聯電池成為可能。
Tan解釋說：“我們通過開發一種錫還原的前體溶液策略實現了這一目標，該策略通過前體溶液中的歧化反應使Sn 4+(Sn 2+的氧化產物)返回到Sn 2+。”
含錫鈣鈦礦的氧化一直是開發具有鈣鈦礦成分的太陽能電池的關鍵問題，因為它會負面影響其性能，從而阻礙其在各種環境中的應用。Tan和他的同事們採用的新化學方法為使用含錫窄帶隙鈣鈦礦製造串聯太陽能電池提供了另一種途徑，從而使電池更穩定，更高效。
他補充說：“我們的工作還表明，含錫鈣鈦礦的電子質量可以與已證明其效率和晶體硅電池相似的鹵化鉛鈣鈦礦的電子質量相媲美。毫無疑問，我們的串聯方法最終將為我們提供一種非常便宜但高效的太陽能設備的途徑。”
在他們的研究中，Tan和他的同事使用他們的化學方法制造了整體式鈣鈦礦串聯電池，然後測試了它們的性能。他們發現，其串聯電池獲得了非常好的效率，小面積設備(0.049 cm 2)約24.8 %，大面積設備(1.05 cm 2)約22.1%。
此外，在完全的一次陽光照射下，電池在最大功率下運行400小時以上後，仍可保持90%的性能。將來，這組研究人員介紹的方法可能會為開發更高效，更具成本效益的太陽能設備提供信息。
Tan說：“我們現在計劃進一步將全鈣鈦礦型串聯太陽能電池的功率轉換效率提高到28%以上。實現這一目標的第一種可能方法是減少寬帶隙鈣鈦礦太陽能電池中的光電壓損失。另一種可能性是減少隧道複合結中的光損失。”
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