通過在硅和鈣鈦礦制成的串聯(lián)太陽能電池中添加看起來像雞蛋箱泡沫的周期性納米結(jié)構(gòu)，德國Helmholtz Zentrum Berlin的研究人員實現(xiàn)了29.8%的認證效率。

這是串聯(lián)太陽能電池效率的世界紀錄，直到今年7月，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的研究人員略微超過這一紀錄，創(chuàng)下31%的新紀錄。然而，德國團隊在《自然納米技術(shù)（Nature Nanotechnology）》最近的一篇論文中詳細介紹了他們?nèi)绾螌崿F(xiàn)里程碑式的效率，以及如何進一步實現(xiàn)鈣鈦礦太陽能技術(shù)的前景。

硅太陽能電池的理論效率極限約為29%，目前最好的電池的效率僅低于27%。由III-V族半導(dǎo)體制成的太陽能電池可以實現(xiàn)高于30%的效率，但這些材料昂貴且難以加工。

串聯(lián)電池，其中硅被容易制造的光伏鈣鈦礦覆蓋，提供了一種至少在理論上以低成本實現(xiàn)40%以上效率的方法，而不需要完全不同的制造設(shè)施。

到目前為止，研究這種串聯(lián)裝置的團隊一直試圖通過調(diào)整鈣鈦礦的化學(xué)成分、制作更好更均勻的層、改善兩個材料層之間的接觸以及其他技巧來獲得每一點效率增益。

德國團隊和緊隨其后的瑞士團隊通過在硅表面創(chuàng)造紋理來提高效率。Helmholtz Zentrum的研究員、這篇新論文的第一作者Philipp Tockhorn表示，對太陽能電池進行紋理化可以減少反射損耗，從而增加設(shè)備產(chǎn)生的電流。“紋理對于充分利用鈣鈦礦-硅串聯(lián)太陽能電池的光學(xué)潛力并將光學(xué)損耗降至最低至關(guān)重要。”

純硅電池紋理的標準方法是創(chuàng)建幾微米大小的隨機金字塔結(jié)構(gòu)。但Tockhorn說，這對串聯(lián)電池不起作用，因為標準金字塔結(jié)構(gòu)的高度超過了鈣鈦礦層的厚度。為了克服這一問題，研究人員試圖改變鈣鈦礦沉積方法，同時保持金字塔結(jié)構(gòu)不變，或者嘗試調(diào)整金字塔結(jié)構(gòu)，以更容易地在其上沉積鈣鈦礦溶液。他說：“要完全覆蓋紋理而不出現(xiàn)針孔是一個挑戰(zhàn)，這會降低性能。”

瑞士EPFL團隊的解決方案是使用與金字塔紋理硅表面兼容的混合蒸汽/溶液處理技術(shù)。他們制造了一個1平方厘米的太陽能電池，其能量轉(zhuǎn)換效率為31.25%。

但Tockhorn和他的同事決定研究更淺的納米結(jié)構(gòu)。基于之前的實驗工作和光學(xué)模擬的支持，該團隊決定采用六邊形排列的正弦設(shè)計。他說，這些納米結(jié)構(gòu)可以很容易地涂上鈣鈦礦，而不會影響鈣鈦礦的質(zhì)量。

納米結(jié)構(gòu)不僅提高了效率，還提高了高質(zhì)量串聯(lián)太陽能電池的產(chǎn)量。這是因為紋理化的表面比平坦的硅表面更好地保留了鈣鈦礦溶液，從而形成了質(zhì)量更好的鈣鈦礦膜。在45個納米紋理的串聯(lián)太陽能電池中，只有兩個在鈣鈦礦涂層后有可見的孔，產(chǎn)量約為95%。平面器件的產(chǎn)率為50%：30個器件中有15個顯示出宏觀空穴。

該德國小組使用紫外納米壓印光刻和蝕刻來制造納米結(jié)構(gòu)硅表面。最終的鈣鈦礦硅電池尺寸為1平方厘米。Tockhorn說，他們使用的納米壓印技術(shù)相對容易擴展到大面積。“學(xué)術(shù)界的許多研究人員認為納米壓印光刻技術(shù)是一種非常有前途的太陽能電池工具，因為它在結(jié)構(gòu)類型方面非常簡單和通用。”

現(xiàn)在，他們已經(jīng)有了在紋理化的硅片上制作基于溶液的鈣鈦礦層的概念證明，他表示，他們正在努力改進器件，以進一步提高效率。“我們需要瞄準一個完全紋理化的鈣鈦礦頂部電池，它在鈣鈦礦和硅之間的界面和正面都有紋理。”