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太阳能电池是清洁能源的重要来源，但传统的单结硅基太阳能电池效率受限于材料本身的能带特性，无法有效利用全部的光谱。为了突破这一限制，科学家们近年来开始探索新型太阳能电池结构，例如钙钛矿太阳能电池和异质结构太阳能电池。
近期，中研院应用科学研究中心的朱志伟教授领导的研究团队，在 ACS Applied Energy Materials 期刊发表了一项突破性的研究成果，利用 WBG（Wide Band Gap，宽能带）钙钛矿和 NBG（Narrow Band Gap，窄能带）钙钛矿材料组合成异质结构太阳能电池，有效提高了电池的光电转换效率。
朱志伟教授是中研院应用科学研究中心的资深研究员，主要研究方向是薄膜太阳能电池、钙钛矿材料、能源转换器件等。他在先进的钙钛矿太阳能电池材料和器件领域做出了突出的贡献，并在国际著名期刊发表了100余篇高质量学术论文。他曾获得国家杰出人才奖等荣誉。
钙钛矿异质结构：更高效利用光能的关键
与目前较成熟的钙钛矿/晶硅 (PVK/Si) 叠层太阳能电池相比， WBG 钙钛矿/NBG 钙钛矿异质结构太阳能电池在材料组成、带隙调整、生产工艺、稳定性和效率方面有显着差异：
- 材料组成:WBG/NBG 钙钛矿叠层: 使用两种不同带隙的钙钛矿材料（宽带隙和窄带隙），形成上下两层的叠层结构。PVK/Si 叠层: 通常上层使用钙钛矿材料，而下层使用硅材料，形成异质结叠层结构。
- 带隙调整:WBG/NBG 钙钛矿叠层: 可通过调整钙钛矿的组成和化学成分，精确调控宽带隙和窄带隙层的带隙，以优化光吸收和电能转换效率。PVK/Si 叠层: 上层钙钛矿带隙较宽，主要吸收高能量短波长光；下层硅带隙较窄，主要吸收低能量长波长光。
- 生产工艺:WBG/NBG 钙钛矿叠层: 可以采用溶液处理等低温工艺，具有成本低、制造过程简单等优势。PVK/Si 叠层: 晶硅层通常采用高温CVD（化学气相沉积）等复杂工艺，生产成本较高
- 稳定性:WBG/NBG 钙钛矿叠层: 钙钛矿材料的长期稳定性仍是一个挑战，需要更多的研究来提高耐久性。PVK/Si 叠层: 晶硅材料的稳定性和耐久性较高，是目前市场上最成熟的光伏技术
- 效率:WBG/NBG 钙钛矿叠层: 理论上可以通过精细调控钙钛矿材料的带隙，实现接近或超越硅基叠层电池的转换效率。PVK/Si 叠层: 目前已实现高转换效率的产品，部分研究显示其效率可以超过传统单结硅太阳能电池。
如何构建WBG 钙钛矿/NBG 钙钛矿异质结构
为了克服传统异质结构制备的溶解问题，该研究团队巧妙地将转移印刷技术与传统的旋涂技术结合在一起，在旋涂制备的 WBG 钙钛矿薄膜上转移印刷了 NBG 钙钛矿薄膜， 构建出高效的异质结构。 这种设计策略成功避免了异质结构制备过程中的溶解问题， 确保了界面稳定性和整体结构的完整性。
WBG 钙钛矿 / NBG 钙钛矿异质结构的优势：
- 更宽的光谱吸收: 这种异质结构可以有效利用不同波长范围的光线。WBG 钙钛矿吸收高能量的光子，而 NBG 钙钛矿可以吸收较低能量的光子， 使光能转化率得到大幅提升。
- 能量级排列优化: 研究团队利用 WBG 钙钛矿 和 NBG 钙钛矿 之间形成的能量级串联排列，促进光生载流子的传输，进一步提高光电转换效率。
- 提高材料的结晶度: 由于底层的WBG 钙钛矿可以为上层 NBG 钙钛矿提供优异的结晶环境， NGB 钙钛矿能够在界面处均匀生长， 并保持良好的薄膜质量。
- 减少界面缺陷: 这种特殊的结构能有效减少异质结界面处的缺陷，降低了非辐射复合损失。
- 稳定性增强: 该异质结构太阳能电池具有更高的稳定性， 即使在持续光照下也能够长时间保持其高效率。
突破传统效率，未来可期
研究人员使用这种全新的异质结构设计，成功构建了效率高达 14.76% 的太阳能电池。 这一突破性的结果，较传统的单结 WBG 钙钛矿太阳能电池和 NBG 钙钛矿太阳能电池分别提高了 4.76% 和 2.76%。 更重要的是， 该器件展现了高稳定性，在良好封装条件下能够在持续照射下工作超过 1000 小时。
研究团队使用光焱科技的 QE-R PV/太阳能电池量子效率光学仪 进行量子效率测试，以了解 WBG 钙钛矿 和 NBG 钙钛矿异质结构在不同光谱范围内的转换效率。 该设备能够精确测量器件在不同波长下的外量子效率，帮助研究人员更精准地分析 WBG 钙钛矿和 NBG 钙钛矿两种材料的光电转换特性。
朱志伟教授领导的团队，利用 WBG 钙钛矿 / NBG 钙钛矿异质结构，突破了传统单结太阳能电池效率的限制， 为高效太阳能电池的未来发展带来了新的曙光。 该技术将为光伏领域带来巨大的变化， 推动高效、稳定的太阳能电池走向市场化， 并在绿色能源产业中发挥重要的作用。
这项研究利用WBG 钙钛矿/NBG 钙钛矿异质结构设计， 成功突破了单接面钙钛矿太阳能电池的效率瓶颈。该团队使用独特的转移印刷技术，制备出高质量的异质结构，进而提高了光电转换效率并改善了电池的稳定性。 此研究成果证明了 WBG 钙钛矿 / NBG 钙钛矿异质结构太阳能电池在未来的应用前景，为推动光伏技术的革新和清洁能源的普及打开了新的大门。
重要技术参数:
–WBG 钙钛矿 / NBG 钙钛矿异质结构太阳能电池效率: 14.76%
–器件稳定性: 在良好封装条件下能够在持续照射下工作超过 1000 小时
–关键技术： WBG 钙钛矿 / NBG 钙钛矿异质结构
关键材料: WBG（Wide Band Gap，宽能带）钙钛矿 & NBG（Narrow Band Gap，窄能带）钙钛矿
参考文献
Cascaded-Type Band Alignment of a WBG Perovskite/NBG _ ACS Appl. Energy Mater.2024,
本研究参数图
Fig S6. 单接面器件的 EQE 光谱与整合电流密度。 (a) 和 (b) 展示了旋涂法制备的 Br 基钙钛矿薄膜的 EQE 性能和稳定性测试。 (c) 和 (d) 分别展示了以单一器件结构制备的印刷法制备的 Sn 基钙钛矿薄膜的 EQE 和稳定性测试。
Fig S7. 异质结构的光伏性能与厚度的关系。 (a) EQE 光谱 (b) J-V 光谱 (c) 优化异质结构薄膜的热稳定性测试 (d) 不同转速下光伏参数的变化。
–上述研究数据来自光焱科技 _ QE-R 光伏/太阳能电池 EQE 完整解决方案 –
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