兩支獨立研究團隊于7月6日在《科學》（Science）雜志上分別發表研究稱，太陽能電池的光電轉換效率突破了30%大關——確切地說是鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池。
幾十年來，單晶硅太陽能電池一直是光伏行業的主力，目前的轉換效率可以達到24%以上，但卻受制于29.4%左右的理論效率極限。為了突破這一限制并進一步推動太陽能的利用，科學家一直在探索新的材料架構來革新器件，包括將兩個或更多的太陽能電池串聯起來。
而鈣鈦礦太陽能電池自2009年首次出現以來，就受到了廣泛關注。一方面，它在努力提高光電轉換效率，以便擠進現有的、以硅為主的光伏市場，另一方面又在嘗試與硅聯合，形成一種新的電池——鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池。
在這種疊層電池中，鈣鈦礦子電池會沉積在晶硅子電池的上方，“二者可以有效捕獲太陽光譜的不同部分，從而更好地利用太陽能。”瑞士洛桑聯邦理工學院的秦心宇（其中一項新研究的第一作者及通訊作者）說。例如，相比于硅，鈣鈦礦材料能夠利用藍光或紫外光等能量較高的部分。這樣一來，“通過結合兩個子電池的輸出，疊層電池就能實現比單結電池更高的能量輸出。”
不過，目前鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池還面臨著一些關鍵的挑戰，其中之一是鈣鈦礦子電池的頂面與電子傳輸層之間的界面處會發生復合損失（recombination losses）。“復合損失是指光生載流子（電子和空穴）在被收集和利用之前又重新組合在了一起，從而導致效率損失。” 秦心宇解釋道。
為了解決這個問題，秦心宇等人通過引入一種基于磷酸的添加劑來調節鈣鈦礦的結晶過程。結果顯示，這種方法可以有效鈍化鈣鈦礦層與電子傳輸層間的界面，從而降低會影響電池整體性能的復合損失。由此產生的鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池經認證后的光電轉換效率為31.25%——超過了30%。“這再次證實了疊層太陽能電池技術的巨大潛力，”秦心宇說。
南京大學譚海仁課題組的孔文池（未參與這兩項新研究）也對此評價道：“疊層電池的效率已經超過了單結太陽能電池的理論效率極限，對推動光伏事業的發展具有非常重要的意義。”今年1月，譚海仁團隊與合作者在《先進材料》（Advanced Materials）雜志上發表了一項研究，開發了一種有機陰離子添加劑輔助鈣鈦礦結晶的策略，最終實現了光電轉換效率高達28%左右的鈣鈦礦/晶硅疊層太陽能電池。
此外，另一項新研究由德國亥姆霍茲柏林材料與能源中心的史蒂夫·阿爾布雷希特（Steve Albrecht，另一項研究的通訊作者）領導完成。不同于秦心宇團隊的研究，阿爾布雷希特團隊利用的是一種雙功能分子哌嗪碘化物（piperazinium iodide，簡稱PI），它位于鈣鈦礦層和電子傳輸層之間，主要在這個界面處發揮橋梁作用，減少復合損失，孔文池說。這同時促進了電子傳輸層從鈣鈦礦層中提取電子，進而提高電子傳輸效率。這種疊層太陽能電池經認證后的轉換效率達到了32.5%。
值得注意的是，這兩項新研究描述的原型僅限于實驗室規模，壽命也還并不如意——數十或數百小時后，轉換效率就會降到最初的80%。相比之下，目前市場上的單晶硅太陽能電池能夠在工作25年后，仍然保持初始效率的85%以上。
秦心宇說，他對這次的突破“并不感到驚訝”，因為他們知道這些材料有潛力實現30%以上的轉換效率，而現在得到的結果確實證明這種太陽能技術有前景。但要想進入光伏市場，還需要進一步改進和完善相關技術，而這“預計可能需要5到10年的時間”，秦心宇說。
