光电转换效率为23%的高效半透明钙钛矿/无机硅叠层太阳能电池

得益于钙钛矿具有非常好的吸收以及较大的电子与空穴传输长度，在短短六年时间内，钙钛矿太阳能电池的认证光电转换效率就已经达到了22.1%。钙钛矿的其他优势是带隙可调节（可以从1.17eV到3.1eV）以及室温下可以在不同基板上制备聚晶钙钛矿薄膜。

钙钛矿/硅叠层太阳能电池可以提供一个提高钙钛矿或者硅单层电池效率的途径，而且可以在不增加硅电池成本的基础上，超越单层电池的Shockley-Queisser极限。钙钛矿/硅叠层太阳能电池中上层的钙钛矿电池需要拥有较好透明度及导电性的上层电极，而且背面电极必须也要透明可以透过近红外光，这部分光需要到达底层的硅电池，并吸收转换为电能。

在高效的半透明钙钛矿电池中，有三个关键要求：（1）首先不应该与钙钛矿层或者电荷传输层发生反应；（2）要拥有较高的透射率可以吸收更多入射光；（3）电荷有较高传输性，有利于电荷收集。内布拉斯加大学林肯分校的Jinsong Huang团队最近在Advanced Energy Materials发表文章，报道了一种光电转换效率为23%的高效半透明钙钛矿/无机硅叠层太阳能电池。（Efficient Semitransparent Perovskite Solar Cells for 23.0%-Efficiency Perovskite/Silicon Four-Terminal Tandem Cells. Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201601128）

图1. a) 玻璃基板上的金包；b) 涂上铜之后，再涂上金；c) 不同厚度金属的透射率；d) 不同厚度双层金属的透射率。图片来源：Adv. Energy Mater.

一般铜与金作电极比银与铝具有更高的稳定性，但是利用8 nm的铜却比8 nm的金在近红外区具有更低的透射率（如图1c），而铜（1 nm）/金（7 nm）双层却有更高的透射率。8 nm的金会在基板上形成小包（图1a），由于铜具有比金更高的表面能，所以在基板与金之间插入一层铜之后，就可以形成均一的电极（如图1b）。这样既解决了透明度的问题，又解决了表面形貌的问题。

研究人员利用双层的电极制备电池器件后，随后又研究了太阳光的入射方向。太阳光从玻璃/ITO侧入射，器件的光电转换效率为16.5%；从铜/金双层电极处入射，器件的效率只有12.1%。主要原因自然与透光性的差距有关。

随后，研究人员研究了硅近红外太阳能电池，光电转换效率为21.2%。接着他们将高效半透明钙钛矿电池与近红外提高的硅电池结合在一起，评估了四端结构的钙钛矿/硅叠层太阳能电池的性能。其表征是针对不同的次电池来进行的，如图2a所示，大多数的可见光被钙钛矿上层电池吸收，10%-20%的红光（600–700 nm）可以透过上层电池到达底层电池。对于近红外光，10%-20%的光被半透明的钙钛矿电池反射，15%-30%的被其吸收，剩下的约60%会到达下层的硅电池。如图2b所示，当硅电池被上层钙钛矿电池遮挡后，其光电转换效率有6.5%。这样加上上层的16.5%，总体效率可以达到23%。

图2 a) 钙钛矿电池的透光、反射及吸光；b) 硅电池、钙钛矿电池、以及被遮挡的硅电池的电流-电压曲线。图片来源：Adv. Energy Mater.

如果将这个半透明金属电极应用在具有最高报道效率22.1%的硅电池上，可以得到18.8%的光电转换效率，加上6.5%的近红外提高的硅电池效率，其四端叠层电池的总体效率可以达到25%。

这种方法做出的电池，效率既超过了原来的钙钛矿电池，也超过了原来的硅电池，而且成本也不会比单层电池更高。对于已经产业化的传统硅太阳能电池来说，这一锦上添花的成果可以降低成本（因为同样成本下电池的光电转换效率变高），不知能否实现更大规模的实际应用呢？

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201601128/abstract

（本文由科研趣生供稿）