?我國是太陽能清潔能源的需求大國，但是土地資源寶貴。因此, 如果能使用相同的光伏系統(tǒng)占地面積，在現(xiàn)有晶硅電池的基礎上提高30%的發(fā)電量將具有重要經濟和社會效益，也是太陽能研究人員和光伏工業(yè)界長期追求的目標。

近日，美國科羅拉多大學Mike McGehee教授和中國科學技術大學（化學與材料科學學院材料系，中科院能量轉換材料重點實驗室）徐集賢教授以聯(lián)合通訊的方式發(fā)表了晶硅-鈣鈦礦二端疊層太陽能電池的重要進展。通過使用改進的鈣鈦礦光伏薄膜與效率為~21%的晶硅電池進行光電耦合，將太陽能轉換效率提高到27%（圖1），證明了使用疊層技術大幅突破硅電池理論極限的可行性和巨大前景。成果以“Triple-halide wide–band gap perovskites with suppressed phase segregation for efficient tandems”為題發(fā)表在學術雜志《Science》上。

圖1.  硅基-鈣鈦礦二端疊層電池的結構和光伏效率。（A）結構示意；（B）器件剖面的電子顯微圖像；（C）光伏曲線；（D）上下兩節(jié)電池的光譜響應曲線。

傳統(tǒng)晶硅電池可以吸收太陽光中的可見光和近紅外光并轉換為電能，但是可見區(qū)的光子存在熱弛豫現(xiàn)象而導致一部分能量以熱能形式損失。使用疊層電池技術，在晶硅電池表面直接制備可以高效轉換可見光的鈣鈦礦多晶薄膜器件，而硅電池只負責轉換從鈣鈦礦薄膜透過的紅外光，二者配合在理論上可以將光伏效率提升到40%以上。當前的挑戰(zhàn)是，寬帶隙的金屬-鹵化物鈣鈦礦在光照下由于離子運動存在鹵素I和Br相的“光致相分離”問題，這減小了光伏轉換電壓和穩(wěn)定性。針對這一難題，研究人員通過大量實驗發(fā)現(xiàn)：通過適當引入Cs和Br離子調節(jié)晶格，是可以進一步引入Cl離子相形成穩(wěn)定的I/Br/Cl三相合金，而且引入的Cl相可以進一步有效提高鈣鈦礦的吸收帶隙。而以往的研究認為Cl相很難被引入鈣鈦礦合金，而且不能有效調節(jié)鈣鈦礦帶隙，因此該發(fā)現(xiàn)有助于人們更深刻的認識金屬-鹵素鈣鈦礦的三相合金空間。I/Br/Cl三鹵素合金的新型鈣鈦礦有效抑制了“光致相分離”問題，可以在100倍太陽的高強度照射下保持相穩(wěn)定，這也為進一步開展聚光光伏提供了可能（圖2）。

圖 2.  傳統(tǒng)I/Br合金鈣鈦礦在（A）10倍太陽和（B）100倍太陽強度下出現(xiàn)熒光紅移，即相分離；新型I/Br/Cl合金鈣鈦礦在（D）10倍太陽和（E）100倍太陽強度下熒光不僅沒有紅移而且出現(xiàn)藍移，即保持了相穩(wěn)定。

由I/Br/Cl三鹵素合金鈣鈦礦薄膜構建的疊層電池的電壓接近1.9V，是當前文獻報告的最好結果。改進的鈣鈦礦電池在60攝氏度下的最大功率點連續(xù)測試1000個小時效率損失低于4%。為了進一步邁向實用化，硅基-鈣鈦礦二端疊層電池還需要繼續(xù)提高轉換效率（>30%），并實現(xiàn)更長期的穩(wěn)定性。

科羅拉多大學博德分校為論文的第一單位，中國科學技術大學為合作單位。徐集賢教授為論文的共同通訊作者和共同第一作者。其他合作單位還包括美國斯坦福大學、美國亞利桑那州立大學、美國新能源國家實驗室。

論文鏈接：

Jixian Xu et al. Triple-halide wide–band gap perovskites with suppressed phase segregation for efficient tandems, Science, 367 : 1097（2020）.

DOI: 10.1126/science.aaz5074.

https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1097.