通過在硅和鈣鈦礦制成的串聯太陽能電池中添加看起來像雞蛋箱泡沫的周期性納米結構，德國Helmholtz Zentrum Berlin的研究人員實現了29.8%的認證效率。

這是串聯太陽能電池效率的世界紀錄，直到今年7月，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的研究人員略微超過這一紀錄，創下31%的新紀錄。然而，德國團隊在《自然納米技術（Nature Nanotechnology）》最近的一篇論文中詳細介紹了他們如何實現里程碑式的效率，以及如何進一步實現鈣鈦礦太陽能技術的前景。

硅太陽能電池的理論效率極限約為29%，目前最好的電池的效率僅低于27%。由III-V族半導體制成的太陽能電池可以實現高于30%的效率，但這些材料昂貴且難以加工。

串聯電池，其中硅被容易制造的光伏鈣鈦礦覆蓋，提供了一種至少在理論上以低成本實現40%以上效率的方法，而不需要完全不同的制造設施。

到目前為止，研究這種串聯裝置的團隊一直試圖通過調整鈣鈦礦的化學成分、制作更好更均勻的層、改善兩個材料層之間的接觸以及其他技巧來獲得每一點效率增益。

德國團隊和緊隨其后的瑞士團隊通過在硅表面創造紋理來提高效率。Helmholtz Zentrum的研究員、這篇新論文的第一作者Philipp Tockhorn表示，對太陽能電池進行紋理化可以減少反射損耗，從而增加設備產生的電流。“紋理對于充分利用鈣鈦礦-硅串聯太陽能電池的光學潛力并將光學損耗降至最低至關重要。”

純硅電池紋理的標準方法是創建幾微米大小的隨機金字塔結構。但Tockhorn說，這對串聯電池不起作用，因為標準金字塔結構的高度超過了鈣鈦礦層的厚度。為了克服這一問題，研究人員試圖改變鈣鈦礦沉積方法，同時保持金字塔結構不變，或者嘗試調整金字塔結構，以更容易地在其上沉積鈣鈦礦溶液。他說：“要完全覆蓋紋理而不出現針孔是一個挑戰，這會降低性能。”

瑞士EPFL團隊的解決方案是使用與金字塔紋理硅表面兼容的混合蒸汽/溶液處理技術。他們制造了一個1平方厘米的太陽能電池，其能量轉換效率為31.25%。

但Tockhorn和他的同事決定研究更淺的納米結構。基于之前的實驗工作和光學模擬的支持，該團隊決定采用六邊形排列的正弦設計。他說，這些納米結構可以很容易地涂上鈣鈦礦，而不會影響鈣鈦礦的質量。

納米結構不僅提高了效率，還提高了高質量串聯太陽能電池的產量。這是因為紋理化的表面比平坦的硅表面更好地保留了鈣鈦礦溶液，從而形成了質量更好的鈣鈦礦膜。在45個納米紋理的串聯太陽能電池中，只有兩個在鈣鈦礦涂層后有可見的孔，產量約為95%。平面器件的產率為50%：30個器件中有15個顯示出宏觀空穴。

該德國小組使用紫外納米壓印光刻和蝕刻來制造納米結構硅表面。最終的鈣鈦礦硅電池尺寸為1平方厘米。Tockhorn說，他們使用的納米壓印技術相對容易擴展到大面積。“學術界的許多研究人員認為納米壓印光刻技術是一種非常有前途的太陽能電池工具，因為它在結構類型方面非常簡單和通用。”

現在，他們已經有了在紋理化的硅片上制作基于溶液的鈣鈦礦層的概念證明，他表示，他們正在努力改進器件，以進一步提高效率。“我們需要瞄準一個完全紋理化的鈣鈦礦頂部電池，它在鈣鈦礦和硅之間的界面和正面都有紋理。”