特別說明：本文由學(xué)研匯技術(shù) 中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識。因?qū)W識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創(chuàng)丨彤心未泯（學(xué)研匯 技術(shù)中心）
編輯丨風(fēng)云
小面積鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)的認(rèn)證功率轉(zhuǎn)換效率(PCEs)在過去幾年中迅速增加到25%以上，與市場上主導(dǎo)的硅太陽能電池相當(dāng)，但受限于其尺寸較小(<1 cm2)。通過鈣鈦礦、界面和電極的組成和加工工程，也證明了小面積PSCs的穩(wěn)定性得到了迅速提高。將小面積實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的PSCs轉(zhuǎn)化為大面積模塊，同時(shí)保持其高效率和良好的穩(wěn)定性，對于該技術(shù)的商業(yè)化至關(guān)重要。
然而，鈣鈦礦組件的發(fā)展仍存在以下問題：
1、鈣鈦礦微型組件的最高穩(wěn)定效率仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于小型電池
雖然通過填充碘化物空位來抑制碘化物的遷移，用固態(tài)碳酰肼來減少襯底界面的空隙，通過鹵化物模板策略等控制成核和結(jié)晶過程可以提高鈣鈦礦微型組件的效率和穩(wěn)定性，但鈣鈦礦微型組件的最高穩(wěn)定效率仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于小型電池。
2、鈣鈦礦微組件的穩(wěn)定性鮮有報(bào)道
鈣鈦礦微型組件的穩(wěn)定性很少有報(bào)道，特別是關(guān)于鈣鈦礦組件特有的額外降解途徑。
3、雙面鈣鈦礦電池輸出功率高，但效率遠(yuǎn)低于單面鈣鈦礦
雙面結(jié)構(gòu)已被證明在通過從背面收集反射和擴(kuò)散的陽光來提高硅太陽能組件的能量產(chǎn)量方面具有強(qiáng)大的作用，但關(guān)于雙面鈣鈦礦電池和組件的研究很少，而且它們的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于單面鈣鈦礦電池和組件。
4、高效率和大面積的雙面鈣鈦礦太陽能組件需克服以下挑戰(zhàn)
為實(shí)現(xiàn)高效率、大面積的雙面鈣鈦礦太陽能組件需克服后半透明電極的電阻損耗增加，以及由于雙面器件結(jié)構(gòu)中缺乏反射金屬電極而導(dǎo)致的長波光吸收不足等關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
有鑒于此，北卡羅來納大學(xué)教堂山分校黃勁松等人報(bào)道了雙面微型模塊，其正面效率與不透明的單面組件相當(dāng)，同時(shí)從反照率光中獲得額外的能量。通過在孔傳輸層中添加疏水添加劑，以保護(hù)鈣鈦礦膜不受潮。將適當(dāng)尺寸和間距的二氧化硅納米顆粒集成到鈣鈦礦薄膜中，以彌補(bǔ)由于缺乏反射金屬電極而引起的吸收損失。小面積單結(jié)雙面鈣鈦礦電池在1個(gè)太陽光照下的發(fā)電密度為26.4 mW cm-2，反照率為0.2。雙面微型組件的正面效率超過20%，雙面性為74.3%，反照率為0.2時(shí)的發(fā)電密度超過23 mW cm-2。在60±5°C下，在1個(gè)太陽光下浸泡超過6000小時(shí)后，雙面微型模塊保持了97%的初始效率。
技術(shù)方案：
1、設(shè)計(jì)了模塊結(jié)構(gòu)及背電極
作者展示了雙側(cè)鈣鈦礦組件結(jié)構(gòu)，通過在后置ITO電極上施加銀柵降低電阻損失，在反照率為0.2的條件下，雙面組件的模擬PGD達(dá)到23.5 mW cm?2。
2、探究了疏水添加劑對鈣鈦礦薄膜穩(wěn)定性的影響
作者在鈣鈦礦薄膜中引入TPFB作為添加劑，以減輕水分對鈣鈦礦薄膜的損害，結(jié)果表明TPFB修飾的鈣鈦礦具有更疏水的表面，，增加了鈣鈦礦膜的抗?jié)裥?，鈍化了鈣鈦礦薄膜。
3、調(diào)控了電介質(zhì)納米粒子的光散射
作者在鈣鈦礦中引入納米粒子(NPs)來散射入射的陽光，從而增加光程以克服雙面模塊中鈣鈦礦的光吸收損失，發(fā)現(xiàn)SiO2 NPs要大于400 nm才能有效散射紅光和近紅外光，要小于600 nm才能最大限度地減少紫外可見光的吸收損失。
4、表征了雙面組件的光伏性能
作者探究了雙面鈣鈦礦組件的光伏性能，其發(fā)電密度為26.4 mW cm - 2 ，6000h后的性能保留了97%。
技術(shù)優(yōu)勢：
1、獲得了創(chuàng)紀(jì)錄的高效率和穩(wěn)定性的雙面鈣鈦礦微型組件
作者展示了鈣鈦礦雙面微型模塊的設(shè)計(jì)和開發(fā)，獲得了創(chuàng)紀(jì)錄的高效率和穩(wěn)定性。雙面微型組件的前、后效率分別為20.2%和15.0%(經(jīng)認(rèn)證的前穩(wěn)定效率為19.2%，后穩(wěn)定效率為14.1%)。
2、實(shí)現(xiàn)了已報(bào)道的最穩(wěn)定的鈣鈦礦微型組件
雙面微型組件在模擬1太陽光照下浸泡6000小時(shí)后，保留了97%的初始PCE。
3、獲得了遠(yuǎn)高于單面鈣鈦礦的電池效率
作者制備的雙面微型組件在1個(gè)太陽光照下的PGD超過23 mW cm - 2，反照率為0.2，遠(yuǎn)高于經(jīng)認(rèn)證的最佳單面模塊。
技術(shù)細(xì)節(jié)
模塊結(jié)構(gòu)及背電極
挑戰(zhàn)1：雙面模塊的背電極需要不同的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)與金屬電極的低電阻損耗。作者展示了雙側(cè)鈣鈦礦組件結(jié)構(gòu)，雙表面鈣鈦礦組件以PTAA和富勒烯作為空穴和電子傳輸層。在后置ITO電極上施加銀柵是降低電阻損失的有效方法，但需要合理的設(shè)計(jì)來平衡電阻損失和銀柵的陰影效應(yīng)，從而降低了雙面增益。以最大雙面增益為參考計(jì)算了最佳Ag柵格間距。模擬結(jié)果表明，加入間距約2 mm的Ag柵格后，后電極電阻引起的相對PCE損耗從8.6%降低到<0.9%，F(xiàn)F從0.70提高到0.77。與單面組件相比，雙面鈣鈦礦組件的反照率為0.2，輸出功率增加15%。在反照率為0.2的條件下，最佳Ag柵格間距為1.7 mm，雙面組件的模擬PGD達(dá)到23.5 mW cm?2。
圖 雙面鈣鈦礦組件結(jié)構(gòu)及效率模擬
空穴輸運(yùn)層中的疏水添加劑
挑戰(zhàn)2：SnO2的ALD沉積對雙面鈣鈦礦微型組件制造的鈣鈦礦產(chǎn)生了破壞。作者在鈣鈦礦薄膜中引入了一種防水材料——三(五氟苯基)硼烷(TPFB)作為添加劑，以減輕水分對鈣鈦礦薄膜的損害。在鈣鈦礦薄膜中添加的TPFB/Pb為0.007 mol%時(shí)，雙面PSCs的重現(xiàn)性明顯提高，但PCE較低。幸運(yùn)的是，將5%的TPFB混合到PTAA空穴傳輸層(HTL)中，出人意料地保護(hù)了鈣鈦礦薄膜在ALD過程中免受水分損害，并且比在鈣鈦礦薄膜中添加TPFB或修改鈣鈦礦表面產(chǎn)生了更好的器件再現(xiàn)性。接著，作者進(jìn)一步探究了PTAA中的TPFB會增強(qiáng)鈣鈦礦的抗?jié)裥?。結(jié)果表明TPFB修飾的鈣鈦礦具有更疏水的表面，部分TPFB從HTL擴(kuò)散到鈣鈦礦膜表面，增加了鈣鈦礦膜的抗?jié)裥?/span>。TPFB也能鈍化鈣鈦礦薄膜，覆蓋一層TPFB的鈣鈦礦薄膜具有更強(qiáng)的光致發(fā)光(PL)強(qiáng)度和更長的復(fù)合壽命。
圖 HTL中的疏水添加劑
電介質(zhì)納米粒子的光散射
挑戰(zhàn)3：將單面模塊轉(zhuǎn)變?yōu)殡p面模塊由于缺乏反射/不透明的金屬電極，存在相同厚度的鈣鈦礦的光吸收損失。作者在鈣鈦礦中引入納米粒子(NPs)來散射入射的陽光，從而增加光程。采用三維時(shí)域有限差分(FDTD)方法研究了球形SiO2納米粒子在鈣鈦礦薄膜中散射紅光和近紅外光的最佳尺寸和間距，發(fā)現(xiàn)SiO2 NPs要大于400 nm才能有效散射紅光和近紅外光，要小于600 nm才能最大限度地減少紫外可見光的吸收損失。進(jìn)一步研究了NPs對電荷重組和提取的影響，含有NPs的鈣鈦礦薄膜與沒有NPs的優(yōu)化鈣鈦礦薄膜相比，具有相當(dāng)?shù)腜L強(qiáng)度和載流子壽命，這表明這些NPs沒有為鈣鈦礦薄膜引入額外的非輻射電荷重組途徑。
圖 包埋SiO2納米粒子增強(qiáng)吸收和光電流
雙面組件的光伏性能
綜合上述策略，小型MA0.7FA0.3PbI3雙面PSC的正面PCE與優(yōu)化后的帶Cu電極的不透明PSC相當(dāng)，背面PCE達(dá)到18.5%，雙面性高達(dá)80%。雙面PSC的EQE證實(shí)了來自兩側(cè)光的JSC，這也表明C60的寄生吸收限制了雙面性。得益于高正面效率和雙側(cè)性，孔徑面積為8 mm2的雙面電池在反照率為0.2的情況下，估計(jì)發(fā)電密度為26.4 mW cm - 2 ，優(yōu)于任何報(bào)道過的單結(jié)鈣鈦礦太陽能電池。在開路條件和60±5°C的溫度下，從正面光浸泡6000小時(shí)后，最佳的雙面微型組件保留了97%的初始PCE ，這是報(bào)道過的最穩(wěn)定的鈣鈦礦微型組件。
圖 雙面鈣鈦礦太陽能電池和微型組件的光伏性能
總之，作者展示了鈣鈦礦雙面微型模塊的設(shè)計(jì)和開發(fā)，其正面效率可與最好的單面模塊相媲美。后柵電極的設(shè)計(jì)使電導(dǎo)率和雙面增益達(dá)到了良好的平衡。PTAA中引入的TPFB擴(kuò)散到鈣鈦礦表面，顯著增強(qiáng)了雙面PSCs的耐水性和再現(xiàn)性。在鈣鈦礦薄膜中嵌入SiO2納米粒子，通過對紅光和近紅外光的散射，增加了雙面PSCs的吸收。在反照率為0.2的條件下，雙面微型組件的估計(jì)發(fā)電密度超過23 mW cm - 2，在沒有溫度控制的情況下，在模擬的1太陽光照下浸泡后，其T97壽命超過6000小時(shí)。
參考文獻(xiàn)：
Gu, H., Fei, C., Yang, G. et al. Design optimization of bifacial perovskite minimodules for improved efficiency and stability. Nat Energy (2023). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01254-3
