特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。光伏發電預計將在避免氣候變化帶來的災難性影響方面發揮關鍵作用，但晶體硅太陽能電池目前已接近實際效率極限，鈣鈦礦/硅雙結串聯太陽能電池已成為將高功率轉換效率與經濟高效的制造相結合的有前途的解決方案。最初的鈣鈦礦/硅串聯電池于 2013 年推出，通過不懈的研究和開發努力，現已在實驗室規模的設備中實現了超過 33% 的認證功率轉換效率，高于任何單結電池技術的理論極限，已進入商業化之路。有鑒于此，阿卜杜拉國王科技大學Stefaan De Wolf、Erkan Aydin等人回顧了將實驗室級串聯性能轉化為工業級模塊的顯著進展。在這方面，分析了各種器件配置，包括兩端、三端和四端串聯。除此之外，還探索了雙面串聯和三聯電池。本綜述從當代太陽能電池制造的角度討論了鈣鈦礦/硅串聯光伏發電從實驗室到工業制造的轉變所需要的適當的、可擴展的輸入材料和制造工藝，以及電池生產和表征的穩定性、可靠性、產量、電池到模塊的集成以及準確的現場性能預測和評估。作者提供了對商業鈣鈦礦/硅串聯光伏發電的可能途徑的見解，并強調了實現這一目標的研究機會。 大多數實驗工作都集中在兩端 (2T) 配置中的單片串聯，盡管與其他串聯配置相比，單片模塊需要更少的透明電極以及BOM和BOS組件，但其最佳性能需要電流匹配。串聯可以通過子電池的機械堆疊來構建。在這種情況下，子電池是獨立制造的，這提供了更大的加工自由度，但增加了成本。大型鈣鈦礦子模塊需要幾個薄膜圖案化步驟，通常通過激光劃片。鈣鈦礦和晶硅子電池需要通過適當選擇的模塊層壓材料進行電隔離。
圖 鈣鈦礦/硅串聯組件串聯方案
作者綜述了太陽能電池技術硅底電池選擇、鈣鈦礦沉積技術以及如何減少鈣鈦礦子電池中的電分流。總結了具有較大電池面積的單片鈣鈦礦/硅串聯器件的著名示例以及實驗室規模的示例。作者闡明了現有鈣鈦礦沉積技術的優缺點及適用場景，指出了在擴展技術時工藝穩定性的重要性，表明最合適的處理技術應該產生高設備性能、吞吐量和再現性的組合。
圖 鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池性能趨勢
圖 工業硅片的表面形貌
圖 串聯太陽能電池中的電分流器
這部分作者主要概述了鈣鈦礦帶隙工程、LCOE與穩定性、模塊可靠性和壽命預測、模塊封裝幾部分內容。作者指出實驗與實際應用的環境偏差將影響鈣鈦礦的帶隙，表明是否真正需要這種針對特定市場的帶隙定制，必須根據實際氣候和設備數據，通過準確的能源產量和成本計算來確定，并通過廣泛的現場測試進行驗證。此外，濕熱、熱循環、濕度冷凍、紫外線 (UV) 光暴露和電勢誘導降解 (PID) 測試等對于鈣鈦礦太陽能電池的穩定性至關重要。為了進一步提高鈣鈦礦/硅串聯模塊的長期穩定性，可能有必要開發具有較低水蒸氣透過率和較高體積電阻率的新型封裝劑。
圖 鈣鈦礦/硅串聯組件的可靠性和LCOE
作者提及了雙面串聯、三結和全鈣鈦礦串聯等新興概念，并指出了鈣鈦礦/硅串聯產業化的主要挑戰與規模性能、可靠性和資本支出有關。鈣鈦礦/硅串聯材料已經超越了實驗室階段，最近，幾家公司宣布了試點生產線的計劃。預計與擴大流程相關的挑戰將在幾年內得到克服。盡管高性能組件具有降低每瓦發電成本的優勢，但組件耐用性、發電量和新興光伏技術（如鈣鈦礦）可靠性的不確定性可能會抵消降低 LCOE 的影響。這些不確定性還將損害鈣鈦礦/硅串聯技術的可融資性。因此，專門針對鈣鈦礦技術的加速降解測試以及具有準確能量產量預測的戶外測試將有助于推動該技術進入市場。
圖 鈣鈦礦/硅串聯的工業化方面
ERKAN AYDIN, et al. Pathways toward commercial perovskite/silicon tandem photovoltaics. Science, 2024, 383(6679), DOI: 10.1126/science.adh3849https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh3849
