利用太阳的全光谱, 三结太阳能电池转换效率的新纪录

新加坡国立大学（NUS）的研究人员在更有效地利用太阳能方面取得了长足的进步，为太阳能电池技术设定了一个新的基准。在助理教授Hou Yi的领导下，该团队开发了一种三结钙钛矿/硅串联太阳能电池(triple-junction perovskite/silicon tandem solar cell)，在1平方厘米的面积上实现了27.1%的功率转换效率，成为新的世界纪录。这一里程碑不仅标志着迄今为止太阳能电池性能的顶峰，还展示了氰酸盐集成钙钛矿太阳能电池（cyanate-integrated perovskite solar cells）在克服当前太阳能技术局限性方面的潜力。

太阳能，丰富和可再生，长期以来一直是寻求清洁能源的关键参与者。然而，将阳光转化为电的效率一直是挑战，特别是在多结太阳能电池领域。这些电池旨在比单结电池更有效地吸收太阳光谱的不同部分，它们面临着能量损失等问题，导致运行过程中电压降低和不稳定。

NUS的突破来自于将伪卤化物(pseudohalide), 氰酸盐(cyanate OCN-), 集成到钙钛矿太阳能电池中，这项技术不仅提高了电池的稳定性和能源效率，还为迄今为止性能最高的三结钙钛矿/硅串联太阳能电池铺平了道路。该研究最近发表在著名的《自然》杂志上，证明了用氰酸盐成功替代溴化物，在实验室条件下达到了27.62%的高效率，认证效率为27.10%。

成功背后的科学

提高太阳能电池效率的传统方法是分层制造太阳能电池，形成多结电池，每层吸收不同范围的太阳能。然而，当增加这些应用的材料带隙时，挑战是尽量减少能量损失。新加坡国立大学团队引入氰酸盐作为一种新型的伪卤化物来替代溴化物，这标志着这一探索的转折点。

氰酸酯的有效离子半径与溴化物的离子半径密切匹配，可以无缝集成到钙钛矿结构中。这种集成不仅有助于显著的晶格变形，导致更均匀的碘/溴分布，而且还增强了缺陷形成能量（defect formation energy）。其结果是大幅减少非辐射重组（nonradiative recombination），这是太阳能电池中常见的效率瓶颈，从而在连续运行下实现更高的电压和稳定性。

实验室之外：对太阳能的影响

这一突破的影响远远超出了实验室。随着三结钙钛矿/硅串联太阳能电池的理论效率超过50%，为太阳能技术的进步敞开了大门，特别是在空间有限的应用中。这使得该技术非常适合在安装空间有限的高功率应用中，例如在卫星、航空航天器和人口稠密的城市环境中。

此外，研究团队已经在展望未来，旨在在不影响效率或稳定性的情况下将技术升级为更大的模块。专注于钙钛矿界面和成分的创新，有望进一步推进这项技术，有望在未来比以往任何时候都更高效、更可持续地利用太阳能。

前方的道路

虽然新加坡国立大学团队的成就确实是一个里程碑，但他们也强调了钙钛矿太阳能电池的更广泛潜力。将氰酸酯引入钙钛矿不仅是一项重大的技术成就，还凸显了正在探索的创新方法，以克服现有太阳能电池技术的局限性。

实现太阳能电池更高效率和更稳定性能的旅程正在进行中，钙钛矿太阳能电池继续成为研究的焦点。寻求可持续和高效的能源解决方案仍然是全球优先事项，像这样的突破证明了科学创新引领道路的潜力。