两支独立研究团队于7月6日在《科学》（Science）杂志上分别发表研究称，太阳能电池的光电转换效率突破了30%大关——确切地说是钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池。
几十年来，单晶硅太阳能电池一直是光伏行业的主力，目前的转换效率可以达到24%以上，但却受制于29.4%左右的理论效率极限。为了突破这一限制并进一步推动太阳能的利用，科学家一直在探索新的材料架构来革新器件，包括将两个或更多的太阳能电池串联起来。
而钙钛矿太阳能电池自2009年首次出现以来，就受到了广泛关注。一方面，它在努力提高光电转换效率，以便挤进现有的、以硅为主的光伏市场，另一方面又在尝试与硅联合，形成一种新的电池——钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池。
在这种叠层电池中，钙钛矿子电池会沉积在晶硅子电池的上方，“二者可以有效捕获太阳光谱的不同部分，从而更好地利用太阳能。”瑞士洛桑联邦理工学院的秦心宇（其中一项新研究的第一作者及通讯作者）说。例如，相比于硅，钙钛矿材料能够利用蓝光或紫外光等能量较高的部分。这样一来，“通过结合两个子电池的输出，叠层电池就能实现比单结电池更高的能量输出。”
不过，目前钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池还面临着一些关键的挑战，其中之一是钙钛矿子电池的顶面与电子传输层之间的界面处会发生复合损失（recombination losses）。“复合损失是指光生载流子（电子和空穴）在被收集和利用之前又重新组合在了一起，从而导致效率损失。” 秦心宇解释道。
为了解决这个问题，秦心宇等人通过引入一种基于磷酸的添加剂来调节钙钛矿的结晶过程。结果显示，这种方法可以有效钝化钙钛矿层与电子传输层间的界面，从而降低会影响电池整体性能的复合损失。由此产生的钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池经认证后的光电转换效率为31.25%——超过了30%。“这再次证实了叠层太阳能电池技术的巨大潜力，”秦心宇说。
南京大学谭海仁课题组的孔文池（未参与这两项新研究）也对此评价道：“叠层电池的效率已经超过了单结太阳能电池的理论效率极限，对推动光伏事业的发展具有非常重要的意义。”今年1月，谭海仁团队与合作者在《先进材料》（Advanced Materials）杂志上发表了一项研究，开发了一种有机阴离子添加剂辅助钙钛矿结晶的策略，最终实现了光电转换效率高达28%左右的钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池。
此外，另一项新研究由德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心的史蒂夫·阿尔布雷希特（Steve Albrecht，另一项研究的通讯作者）领导完成。不同于秦心宇团队的研究，阿尔布雷希特团队利用的是一种双功能分子哌嗪碘化物（piperazinium iodide，简称PI），它位于钙钛矿层和电子传输层之间，主要在这个界面处发挥桥梁作用，减少复合损失，孔文池说。这同时促进了电子传输层从钙钛矿层中提取电子，进而提高电子传输效率。这种叠层太阳能电池经认证后的转换效率达到了32.5%。
值得注意的是，这两项新研究描述的原型仅限于实验室规模，寿命也还并不如意——数十或数百小时后，转换效率就会降到最初的80%。相比之下，目前市场上的单晶硅太阳能电池能够在工作25年后，仍然保持初始效率的85%以上。
秦心宇说，他对这次的突破“并不感到惊讶”，因为他们知道这些材料有潜力实现30%以上的转换效率，而现在得到的结果确实证明这种太阳能技术有前景。但要想进入光伏市场，还需要进一步改进和完善相关技术，而这“预计可能需要5到10年的时间”，秦心宇说。
