高效与可持续性的结合：下一代串联太阳能电池

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开发由稳定材料制成并使用可扩展生产工艺制造的钙钛矿-硅串联太阳能电池是光伏行业下一次技术飞跃的基础。
五年来，弗劳恩霍夫的六家研究所一直在弗劳恩霍夫灯塔项目“MaNiTU”中共同努力，寻找将这些串联太阳能电池推向市场的最可持续方式。通过这种方式，他们能够通过与工业相关的流程实现高效率。然而，只有含铅的钙钛矿才能实现高效率。因此，研究人员开发了合适​​的回收概念，以确保可持续性。
在“MaNiTU”项目中，弗劳恩霍夫研究人员制作了具有钙钛矿晶体结构的新材料，并在电池层面与现有材料进行了比较。比较结果表明，只有使用铅钙钛矿才能实现高效率。
随后，他们成功制造出高效的演示器，例如，采用丝网印刷金属化的面积超过 100 平方厘米的钙钛矿硅串联太阳能电池，并生产了单个和互连串联太阳能电池的微型模块。
随后的生命周期分析表明，通过使用合适的生产和回收工艺以及与当今硅技术相当的降解率，制造出可持续的产品是可行的。
弗劳恩霍夫项目咨询委员会在 2024 年 11 月底的闭幕式上宣布：“通过这一弗劳恩霍夫合作旗舰项目，弗劳恩霍夫协会重回全球光伏领域的前列，并将继续保持这一地位。”
可扩展的钙钛矿硅太阳能电池效率达31.6%
该项目的研究重点还包括，可工业化大面积应用的钙钛矿材料制造工艺。得益于所谓的“混合路线”，即气相沉积和湿化学沉积相结合，弗劳恩霍夫研究人员能够在工业织构硅太阳能电池上生产出高质量的钙钛矿薄膜，从而实现了全织构钙钛矿硅串联太阳能电池，在 1 平方厘米电池面积上效率达到 31.6%。
“密切的工业合作是在欧洲建立这项未来技术的下一步，”弗劳恩霍夫太阳能系统研究所 (ISE) 研究所所长兼弗劳恩霍夫旗舰项目协调员 Andreas Bett 教授总结道。
目前还没有适合用于太阳能电池的无铅钙钛矿
除了研究传统的铅钙钛矿化合物，材料开发领域的科学家还致力于寻找无毒、无铅的替代品。他们在研发过程中结合理论模拟、实验材料合成和电池生产，对目标材料的稳定性和性能有了详细的了解。对各种钙钛矿化合物以及不同的合成路线进行了研究。
“特别是，使用喷雾干燥法以粉末形式进行的可扩展、半连续钙钛矿合成被证明是一种适合各种化合物及其潜在合成的筛选方法。这种方法也可以应用于与工业相关的数量，”弗劳恩霍夫硅酸盐研究所 ISC 粒子技术负责人 Benedikt Schug 博士解释说。
然而，研究小组无法利用他们通过理论和实验分析的任何无铅材料生产出足够高效的串联太阳能电池，因为其固有材料质量根本不够高。
减少生态足迹
为了解释串联太阳能电池的整个产品生命周期，研究人员在分析中考虑了回收和封闭循环经济的主题，对串联太阳能电池的生产、使用阶段和报废阶段对环境的影响进行了详细评估。他们开发了钙钛矿串联模块的回收概念。
弗劳恩霍夫材料回收和资源战略研究所 IWKS 主任 Peter Dold 教授总结了研究结果：“通过使用先进的回收工艺，可以为采用铅钙钛矿的光伏系统创造循环经济，从而确保长期的能源效率。”
用于接触钙钛矿子电池的系统组件
研究人员致力于开发面向工业的系统组件和涂层技术，以建立工业晶圆格式G12的电子和空穴接触的高性能接触材料。
其中一个挑战是钙钛矿电池的温度敏感性，这要求在生产前接触系统时温度保持在 100°C 以下。然而，需要在电池上沉积透明导电氧化物。为此，在 SALD 混合系统中实现了一条新的工艺链，该系统由 ALD 和蒸发工艺组合而成，并辅以最终的溅射工艺。
“我们现在的目标是实现开发转移，”弗劳恩霍夫 IST 钻石基系统和清洁技术部门负责人 Volker Sittinger 博士解释道。“我们正与工厂制造商和最终用户一起努力，将新技术从研究实验室转移到应用阶段。”
评估串联太阳能电池的效率和稳定性
该项目的另一个研究重点是串联太阳能电池的特性分析。研究人员成功开发了硅和钙钛矿子电池的非破坏性选择性分析方法。
利用所获得的特性数据和光电仿真模型，他们对串联太阳能电池进行了全面的损耗分析，确定了电池效率的实际上限为 39.5%，并对电池的微观结构分析进行了进一步的开发。
弗劳恩霍夫材料与系统微结构研究所 IMWS 评估了低能聚焦离子束技术 (FIB) 用于制备工业串联太阳能电池的效果，然后使用透射电子显微镜 (TEM) 进行高分辨率分析。
此外，还构建了一个特殊的样品架，允许在 TEM 基底上直接沉积吸收层和接触层，由项目合作伙伴在现场进行。还开发了方法来研究自组织分子单层的厚度、覆盖程度和化学键合。
吸收材料和材料界面的建模
此外，在该项目中，研究团队开发了计算模型，可以准确、有效地描述相关吸收材料的结构和光伏特性，以及它们与光学透明和导电接触材料的界面。
弗劳恩霍夫材料力学研究所 (IWM) 的科学家开发了一种计算模拟工作流程，不仅可用于光伏技术，还可用于其他技术（如氢能）工业层面的材料问题，这些技术与可持续电能资源的产生、转换、储存、分配和使用有关。