Modeling efficiency penalties of narrow-bandgap perovskites in Si-based tandem solar cells: Incorporating luminescent coupling at non-ideal absorption
本研究提出了一个结合发光耦合的详细平衡模型，旨在证明与最优带隙对应物相比，窄带隙钙钛矿（~1.57 eV）在硅基叠层太阳能电池中造成的效率损失出奇之小，这表明由于其在稳定性和材料节省方面的显著优势，其潜在相关性被低估了。
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太阳能电池是可再生能源转型的中流砥柱，它们能将阳光直接转化为电能。几十年来，科学家们一直知道，单一材料层无法高效捕捉阳光中的所有能量；某些颜色的光会直接穿透过去，而另一些颜色则会被吸收过快，从而将能量以热量的形式浪费掉。为了解决这个问题，研究人员将两种不同类型的太阳能电池堆叠在一起，构建成一种叠层器件。顶层被设计用于捕捉高能的蓝光，同时让低能的红光穿透到底层的硅层进行收集。这种组合具有将太阳能效率推向远超单层电池水平的潜力。然而，为顶层寻找完美的材料是一个微妙的平衡过程。如果顶层被调节到吸收错误的颜色范围，它可能会产生过多的电量导致底层无法处理，或者层厚度过大，导致器件昂贵且不稳定。
汉诺威莱布尼茨大学与哈默林太阳能研究所的一位研究人员开发了一种新的建模方式，用于模拟这些叠层电池，以观察选择略有不同的材料是否实际上比目前的流行选择更好。他们专注于一种被称为钙钛矿的特定材料，这是一种可以调节以吸收不同颜色光的晶体结构。虽然科学界普遍认为，理想的顶层应该具有约 1.7 电子伏特的带隙以实现功率最大化，但该研究人员想知道，如果材料略有不同（带隙为 1.57 电子伏特）会发生什么。这种更窄的带隙意味着材料会吸收更多的太阳光谱，但也产生了一种需要被管理的过剩能量。他们调查的关键在于一种被称为发光耦合的现象，即顶层电池在吸收光之后，会将部分能量重新发射为光，并向下传输到下方的硅电池中再次被利用。
研究人员利用基于基础物理学的详细计算机模型，模拟了这些叠层电池在标准阳光下的表现。他们考虑了顶层的厚度以及光如何在器件中反射和传播，而不是依赖于忽略这些光学细节的简化假设。他们的模拟揭示了一个令人惊讶的结果：使用窄带隙材料带来的效率损失比此前认为的要小得多。当顶层调节至理想的 1.7 电子伏特时，器件的峰值效率约为 41.8%。而当顶层采用窄带隙材料时，效率降至约 39.9%。这代表了仅约 5% 的相对损失。在太阳能领域，每一分之几的百分比都是激烈争夺的对象，因此这是一个非常小的代价。
这种微小损失之所以意义重大，在于所需材料的厚度。为了用理想的 1.7 电子伏特材料达到这一峰值效率，顶层需要相当厚的厚度，约为 1500 纳米。然而，研究人员发现，窄带隙材料在其最佳性能点时的厚度仅为 733 纳米。这意味着，通过接受极小的理论效率下降，制造商可以减少顶层一半以上的材料用量。这种减少不仅是为了节省原材料成本，还能加快制造过程，因为沉积较薄的层所需的时间更短，同时也减少了每平方米面板中所含的有毒铅量。
该研究还探讨了这些发现如何适用于不同的配置。在两种电池通过单一电路进行电气连接的设置中，5% 的效率损失保持不变。然而，如果将它们分开接线，使其能够独立运行，效率差距甚至进一步缩小到仅 2%。这表明窄带隙材料具有高度的通用性。研究人员指出，虽然理想带隙材料是理论上的最大值，但窄带隙选项提供了一个极具吸引力的权衡。如果窄带隙材料在时间维度上表现出更好的稳定性或更低的生产成本，那么它最终在太阳能电站的整个生命周期内所提供的电量，可能会超过那个理论上完美但更为脆弱的替代品。
通过严谨地计算光如何在层间移动和耦合，这项工作挑战了“最优带隙是唯一途径”的假设。它表明，相比于追求理论理想值的窄带隙钙钛矿，可能是一个更实际的选择。这些发现提供了一种数据驱动的方法，用于权衡原始效率与稳定性、成本及材料使用等因素之间的关系。对于太阳能的未来而言，这意味着寻找完美的太阳能电池可能不需要仅仅追逐一个单一的理论数值，而是要找到性能与实用性之间的正确平衡。
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