北京
一種鈣鈦礦三結太陽能電池與氧化石墨烯（GO）和自組裝單分子層（SAM）雙層相結合。
德國亥姆霍茲柏林中心（HZB）的研究人員利用鈣鈦礦制造出了一種高度復雜的“三結”太陽能電池。
這種新型鈣鈦礦三結太陽能電池實現了27.3%的效率。此外，它展現出卓越的穩定性，在770小時連續運行中性能無任何衰減。
像堆疊美食漢堡一樣層疊結構，正是打破效率和穩定性紀錄的秘訣。
“你可以把它想象成一個巨無霸漢堡，三片面包之間夾著肉、生菜或奶酪等不同餡料。這里的‘餡料’就是中間那片面包和底層面包之間的夾層。”HZB鈣鈦礦串聯太陽能電池部門負責人史蒂夫·阿爾布雷希特教授解釋道。
分子自組裝遇見石墨烯
硅太陽能電池板主導市場數十年，但正迅速逼近其絕對的物理效率極限。
因此，鈣鈦礦在太陽能研究領域極為重要，因為它廉價且異常輕便，甚至可以安裝在塑料或織物等柔性基板上。
通過堆疊三種不同的鈣鈦礦吸收層，每層都經過調諧以捕獲太陽光譜中不同的帶隙，這些電池能比硅電池板收集多得多的陽光。
然而，鈣鈦礦往往會因一個薄弱環節而降解：在子電池之間傳輸電荷的聚合物層（PEDOT:PSS）。這種聚合物吸光效率低，且在連續使用下會迅速分解。受此缺點啟發，HZB團隊嘗試用一種高度穩定、低損耗的化學組合來替代該層。
為最大限度地提高效率，他們通過堆疊三種帶隙不同的鈣鈦礦吸收層，制成了一種復雜的三結太陽能電池。
團隊求助于自組裝單分子層（SAM）。這些是由大有機分子自發排列成整齊單分子薄片而形成的超薄層。
起初，SAM層效果不佳，無法獨自高效傳輸電荷。
“因此，我們嘗試在SAM層下方添加額外層，作為一種基底。”共同第一作者、博士后尹英勛表示。
他們將一層微薄的氧化石墨烯直接置于SAM層下方。這徹底改變了界面，創造出了完美的形態與電子匹配。電荷傳輸變得順暢，光學損耗大幅下降。
“最高值之一”
這種新型三結太陽能電池實現了27.3%的能量轉換效率，躋身該特定技術有史以來最高值之列。
更妙的是，它經久耐用。老舊的鈣鈦礦結構在持續光照下會衰減，而配備GO/SAM的電池在770小時連續運行后仍能存活，并保持超過90%的初始性能。這在脆弱的下一代光伏領域是一個里程碑式的穩定性紀錄。
通常，錫鉛基鈣鈦礦在暴露于氧氣和濕氣時極易快速氧化和降解。新的GO/SAM雙層形成了一種氣密化學屏障，將脆弱的錫層密封并保護起來，使其免受環境破壞。
特別是，這種分子屏障正是該太陽能電池在不犧牲性能優勢的情況下創下770小時穩定性紀錄的關鍵原因。
前景更加光明。據阿爾布雷希特教授稱，這還只是起點。通過對各層鈣鈦礦薄膜進行細微優化，這種輕質結構的效率可輕松突破30%。
該成果已于7月9日發表在《焦耳》期刊上。
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