屋顶瓦片正在成为过去：如今，越来越多的瑞士屋顶拥有巨大的黑色和蓝色矩形，可以将阳光转化为电能。蓝色来自硅晶体，因为当今大多数太阳能电池都是基于这种半导体材料。但硅并不是制造太阳能电池的唯一方法，甚至可能不是最好的方法。
迄今为止，硅基光伏电池已经非常完善，已经达到了其效率的极限。尽管仍有几个百分点的提升，但单晶硅电池效率的理论上限为33%。实际上，它要低一些，因为在电池的建造和运行过程中不可避免地会发生少量的能量损失。
这种硬性效率限制的原因在于硅的材料特性。所谓材料的带隙，是指只有具有一定能量的光子才能转化为电能。如果光子的能量太高，太阳能电池就无法充分“利用”它。
两层比一层好
Empa研究员FanFu表示，由其他材料制成的太阳能电池提供了一种克服这一限制的方法。薄膜和光伏实验室的组长正在研究由钙钛矿制成的高效太阳能电池。
单独使用单个钙钛矿电池并不能实现更高的效率，因为钙钛矿作为半导体也具有有限的带隙。这种创新材料的真正优势在于，与硅不同，这种带隙可以通过改变钙钛矿材料的确切成分来轻松调整。
如果将两种具有不同带隙的钙钛矿加工成薄膜太阳能电池并“堆叠”在彼此的顶部，就会得到所谓的串联太阳能电池。一层钙钛矿层“捕获”高能量的光子，另一层则“捕获”低能量的光子。
理论上，这使得效率高达45%，远高于单结电池的33%。或者，也可以将钙钛矿层添加到硅电池中以创建高效串联电池。
然而，Fu和他的团队目前专注于全钙钛矿串联电池，特别是作为欧盟研究项目SuPerTandem的一部分，该项目共有15家欧洲领先的研究机构和公司参与。该项目的目标是开发效率超过30%的灵活钙钛矿串联模块，该模块也可以使用可扩展且经济高效的工艺进行生产。
这是钙钛矿太阳能电池的另一个优势：“硅太阳能电池通常需要在高温下生产的高纯度硅单晶，”傅解释道。“另一方面，钙钛矿薄膜可以通过印刷、溶液处理或气相沉积法生产，CO2足迹非常低。过程中出现的小缺陷对其光电性能的影响很小。”
像SuPerTandem这样的项目的潜在好处是巨大的，因为效率越高，最终太阳能发电的成本就会越低。“电池本身只占光伏系统成本的不到20%，”Fu说。“剩下的80%是由电缆、逆变器、接线盒，当然还有安装过程中涉及的劳动力组成的。”
如果单个电池的效率提高，那么更小、更便宜的光伏系统就足以实现相同的电力输出。由钙钛矿制成的薄膜电池也可以在轻质柔性薄膜上生产，而不是在硅电池等笨重的刚性玻璃板上生产。这意味着它们还可以用于更多位置，例如汽车屋顶或低承载能力的建筑物。
从实验室到屋顶
现在必须充分利用钙钛矿太阳能电池的这种潜力。除了SuPerTandem之外，傅帆的团队还致力于两个瑞士项目。Empa研究人员正在努力更好地了解钙钛矿太阳能电池的基本特性和挑战，这些特性和挑战有助于提高其效率和稳定性。在与瑞士联邦能源局(SFOE)合作的一个项目中，他们通过扩大Empa已开发的串联电池规模，将现有知识付诸实践。
我们还需要做什么来确保屋顶上的黑色和蓝色矩形与微红色钙钛矿薄膜连接在一起?“首先，我们必须将钙钛矿电池从目前的几厘米原型扩大到工业尺寸，”傅说。这些细胞仍然有些脆弱，也需要得到有效的保护，免受天气影响。
范付乐观地认为，这两个目标将在未来五到十年内实现。这位科学家说：“我们正在取得良好进展，业界对此也很感兴趣。”“研究人员研究钙钛矿太阳能电池的时间还不到15年。相比之下，硅电池的研究已经持续了近70年。”