有機無機復合鈣鈦礦材料雖然已經實現了22%以上的認證效率,但是,很多人估計其商業化的第一站卻很可能是和Si基太陽能電池聯用。想要進一步降低成本并提高效率,就需要開發具有理想匹配能隙的串聯型全鈣鈦礦太陽能電池:頂層用于吸收短波長太陽光,低層用于吸收長波長太陽光。
圖1. FA0.83Cs0.17Pb(I0.6Br0.4)3(1.74 eV)鈣鈦礦與晶硅串聯太陽能電池效率超過25%
參考文獻:David P. McMeekin, Henry J. Snaith et al. A mixed-cation lead mixed-halide perovskite absorber for tandem solar cells. Science, 2016, 351, 151-155.
串聯型全鈣鈦礦太陽能電池要達到最佳性能,需要滿足這樣一個條件:前端電池的帶隙為0.9-1.2 eV,后端電池的帶隙為1.7-1.9 eV。
因此,制備一個全鈣鈦礦串聯太陽能電池的困難在于:尋找一種能夠吸收太陽光譜紅端太陽光的穩定的鈣鈦礦材料。
有鑒于此,Eperon等人報道了一種窄帶隙(1.2 eV)的Sn-Pb混合鈣鈦礦材料FA0.75Cs0.25Sn0.5Pb0.5I3,其單獨PEC高達14.8%(0.2 cm2)。和1.8 eV寬帶隙FA0.83Cs0.17Pb(I0.5Br0.5)3組合,二端串聯太陽能電池效率為17.0%(0.2 cm2);和1.6 eV寬帶隙FA0.83Cs0.17Pb(I0.83Br0.17)3組合,四端串聯太陽能電池效率可達20.3%(0.2 cm2)。
圖2. 窄帶隙Sn-Pb混合鈣鈦礦材料
另外,這種吸收紅外光的太陽能電池具有以往報道的Sn基鈣鈦礦太陽能電池所不具備的優異的熱、水汽穩定性。這種鈣鈦礦太陽能電池材料和配置確保“全鈣鈦礦”薄膜太陽能電池在很長一段時間內以最低成本達到最高效率。
圖3. 串聯型全鈣鈦礦太陽能電池性能(0.2 cm2)
圖4. 串聯型全鈣鈦礦太陽能電池性能(1 cm2)
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Giles E. Eperon, Tomas Leijtens, Michael D. McGehee, Henry J. Snaith et al. Perovskite-perovskite tandem photovoltaics with optimized band gaps. Science 2016, 354, 861-865.