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郑大张懿强教授、中科院化学所宋延林研究员、中国建材集团彭寿院士《Adv. Mater.》综述：最大化半透明钙钛矿太阳能电池性能

时间：2022-12-14 来源：浏览：

郑大张懿强教授、中科院化学所宋延林研究员、中国建材集团彭寿院士《Adv. Mater.》综述：最大化半透明钙钛矿太阳能电池性能

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#半透明钙钛矿太阳能电池 2 个

#光电相互作用 2 个

#太阳光利用率 2 个

#建筑光伏 2 个

#叠层太阳能电池 2 个

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半透明钙钛矿太阳能电池（ ST-PSCs ）由于其可调带隙和高可见光透明度，是构建光伏建筑一体化（ BIPV ）和叠层太阳能电池（ TSC ）的理想候选。

郑州大学化学学院张懿强教授联合中科院化学所宋延林研究员和中国建材集团彭寿院士在《 Adv. Mater. 》期刊发表题为“ 最大化半透明钙钛矿太阳能电池性能的关键途径：光子传播管理和载流子动力学调控”的长篇综述。聚焦于光子传播管理和载流子动力学调控，系统梳理了最大化 ST-PSCs 的太阳光利用率（ LUE ）的关键途径。首先，从光学过程和电子性能的基本理论分析得出 ST-PSCs 面临的两大关键问题：光学损耗和光生载流子损耗。基于此问题，提出了光子传播管理措施和载流子动力学调控策略。其次，深入探讨了 ST-PSCs 在 BIPV 和 TSC 中的商业应用价值。最后，简要总结了 ST-PSCs 的主要进展，并展望了 ST-PSCs 未来商业化的主要研究方向。本篇综述为推动 ST-PSCs 的快速发展和进一步商业化路径提供了重要思路。

图 1. TOC 图

从光子传播和载流子动力学方面系统地理解 ST-PSCs 的工作原理对于持续优化光电子性能至关重要。因此，首选提供了基本的理论分析，得出两大损耗以及 PCE 和平均可见光透过率（ AVT ）之间的权衡。并通过光子在器件中的传输路径分析进一步探讨了主要损耗形式，有助于为降低 ST-PSCs 的光损耗和光生载流子损耗提供新的思路。

图 2. a ）光损耗和作为桶效应的光生载流子损耗是 ST-PSCs 面临的两个主要问题。 b ） ST-PSCs 中 AVT 和 PCE 之间的权衡。 c ） ST-PSCs 上的光传输路径以及由 ST-PSCs 中的缺陷引起的辐射复合和非辐射复合的示意图。 TE ：透明电极。 d ）反射透射图。 I ₀ 表示初始光强度， I 表示光强度， R 表示反射率。 e ）光生载流子的传输路径示意图，包括吸收、辐射复合和非辐射复合。

光子在器件上的传播行为显著影响了器件的光学透明度和对光能的利用。双面进光的半透明光伏器件面临的主要挑战是如何在效率和透明度之间实现最佳平衡。这就需要对光子传播进行管理，本节我们从光子捕获工程、光子反射工程和透明度增加工程三个主要方面综述了目前 ST-PSCs 的光子传输管理策略。

图 3. a ）上下转换过程的能量示意图。 b ） Eu 络合物的光致发光激发和发射，插图为 Eu 配合物的光学跃迁能级图，在室内光下呈白色，在紫外线下呈红色，背景为归一化太阳辐照度。 c ）原始和 Eu 改性钙钛矿薄膜的 UV-vis 吸收光谱；插图显示了乌尔巴赫能量。 d ）双面板 LSC-PV 工作原理图。 e ）上转换、下转换和双转换面板的吸光度和 PL 发射光谱。

此外，等离子体纳米颗粒可用于通过等离子体共振机制增强对光的捕获。当光束入射到金属和钙钛矿之间的界面时，金属表面上的自由电子可以被激发，然后以和光子匹配的频率集体振荡。与金属表面上的自由电子耦合的电磁波可以沿着金属表面传播，导致光场增强（图 4a ， b ）。此外，增强的光场可以产生对入射光的强烈吸收，并激发钙钛矿材料中更多的载流子。表面等离子体和入射光之间有三种耦合模式： 1 ）以多次散射为主的光捕获（图 4c ）； 2 ）由局部表面等离子体共振（ LSPR ）控制的光捕获（图 4d ）；和 3 ）等离子体共振能量转移（图 4e ）。

图 4 a) 和 b) 为表面等离子体激元现象的示意图。 c) 多重散射主导光捕获。 d) 以局部表面等离子体共振为主的光捕获。 e) 等离子体共振能量转移。 f ）通过 FDTD 方法计算的等离子体电场的横向（在 PCBM 玻璃界面处）和垂直分布。

提高透明度的是 ST-PSCs 面临的关键挑战之一。与不透明光伏组件不同，透明电池所需的透射率取决于实际应用场景，比如，光伏窗口所需的最小 AVT 为 20%-30% 。因此，需要通过光学工程和器件架构设计对电极、光活性材料衬底和界面层的透射率进行调整，以满足 AVT 的要求。在此，梳理了一系列优化 ST-PSCs 透明度的措施，这些措施对于获得优秀的 AVT 具有重要意义。

图 5 a ）倒置平面 PSC 的横截面 SEM 图像和器件结构。 b ）雪后带有 V ₂ O ₅ 光学耦合层的双面 PSC 的照片。 c ）带有和不带有顶部电极的电极和装置的透射光谱。 d ） 2D 材料夹持 1D 网络示意图，具有导电性改善，并说明了使用石墨烯和 Ag 纳米线的顶部电极的自增强碘离子阻挡效应。 e ）完整 n-i-p 光伏装置的能带图。在相同金属厚度为 11nm 的 MoO _x 涂层 FTO/ 玻璃衬底上沉积的金籽 Cu 的俯视 SEM 图像和示意图以及不同多层结构的透射光谱。 f ） ST-PSCs 的示意结构，其具有通过直流磁控溅射生长的结晶 ITO 阳极和通过使用线性 FTS 共同溅射 ITO 和 IZO 靶生长的非晶 IZTO 阴极。

降低钙钛矿厚度以增加 ST-PSCs 的透明度通常需要高质量的钙钛矿膜以确保更高的 PCE 。然而，在制备无孔洞的高质量钙钛矿薄膜方面仍然存在重大挑战。因此，提高 AVT 和保持 PCE 的另一个有效方法是钙钛矿微结构工程，即着眼于设计微结构以减少钙钛矿覆盖。钙钛矿微结构是指通过各种方法制备的岛状、柱状和网状钙钛矿膜。

图 6 a ）选择性吸收叠层 ST-PSCs 设计的原理图器件架构。 b ）人眼的太阳光谱和光光度函数以及叠层 ST-PSCs 的透射光谱。 c ） ST-PSCs 的图片：从左到右分别是钙钛矿单结、有机单结和叠层 ST-PSCs 。 d ）具有不同 CH ₃ NH ₃ PbI ₃ 膜厚度的完整 ST-PSCs 的透射光谱。 e ）显示岛状结构 -MAPbI _3-x Cl _x -NiO 层、 MAPbI _3-x Cl _x 金属氧化物层、电子和空穴传输路径以及相应能带图的器件组件和阻挡特性示意图。 f ）基于 AAO 支架的纳米柱 PSC 结构的示意图和相应的横截面 SEM 图像。 g ）以及沉积在 7*7 cm ² 基板上的纳米柱钙钛矿膜的照片，其配置为钙钛矿 +AAO/c-TiO ₂ /FTO/ 玻璃，并在照片中所示的九个点获得紫外 - 可见吸收光谱。 h ） SEM 图像显示了直径为 1mm 的 PS 微球、固化的 TiO ₂ 和 SiO ₂ 蜂窝结构的典型高度有序单层。 i ）图案化氧化物的制造示意图。 j ） ST-PSCs 的结构和宽网格的光学显微镜图像：孔径大小 ≈200µm 。 k ）具有不同平均透明度的半透明电池的电流 - 电压曲线。

由于有机 - 无机杂化钙钛矿材料的窄带隙，在 ST-PSCs 中实现良好透明度的方法主要涉及减小钙钛矿厚度和制备钙钛矿微结构。然而，这些方法会产生缺陷，从而牺牲 J _SC 和 PCE 。全无机钙钛矿材料体系是 ST-PSCs 缓解这些隐患的一种有竞争力的替代方案。首先，全无机钙钛矿 CsPbX ₃ （ X=Br ， I ， Cl ）的可调谐带隙（ 1.7 eV~3eV ）大于有机 - 无机杂化钙钛矿（图 7 a ），是透明光伏的首要候选材料。其次， CsPbX ₃ 比有机 - 无机杂化钙钛矿具有优异的湿热稳定性（图 7b ）。最后，可以在无反溶剂的情况下制备高质量的钙钛矿薄膜，并显著提高电池的光生载流子调节。其光电转化效率从 2015 年的 2.9% 增长到 20.8% ，并有望达到 S-Q 极限。因此，选择全无机钙钛矿作为光吸收材料来制备 ST-PSCs 是非常有前途的。

图 7 a ）混合卤化物合金 CsPb(X _1−x Y _x ) ₃ （ X ， Y=I ， Br ， Cl ）带隙的变化通过 SQS 计算。 b ）薄膜老化 80 天的图像以及基于立方 CsPbI ₃ 的钙钛矿太阳能电池的水分和热稳定性研究。 c ）使用不同策略的 CsPbBr ₃ QD 膜沉积和固态后处理示意图。 d ）配位体交换过程示意图、能带示意图以及 PSC 中的电荷传输过程。

随着现代社会的发展，大窗墙比的高层建筑已成为主流，但此类建筑中大部分能量都会通过窗户消散。在建筑自身实施 BIPV 系统是节约能源成本和实现可持续的解决方案。除了用作建筑窗户外，半透明光伏还可以广泛用于公共汽车、公共汽车站和温室大鹏，如图 8 。 ST-PSCs 由于其独特的光电优势是最适合 BIPV 应用的光伏之一。 ST-PSCs 可以同时实现极高的效率和透明度，呈现可调的颜色。与硅太阳能电池相比， ST-PSCs 可以呈现中性颜色，吸收大部分蓝绿色光并辐射棕色光（如图 8 a ，从左至右为：基线条件， PSC ， a-Si 电池）。此外，光致变色智能窗的合理设计以显示其 “ 智能 ” 和 “ 灵活性 ” 是 ST-PSCs 在 BIPV 上的另一个有前途的应用。

图 8. 模拟应用于玻璃的不同技术的外观。 b ）由 Adshel ， Inc. （澳大利亚墨尔本）安装的太阳能车窗公交车站和公交车。 c ）透明太阳能电池在办公楼中的应用。透明窗口模式（左）允许阳光完全透射，而太阳能电池模式（右）阻挡用于发电的部分外部辐射，同时防止过热。 d ）当代城市发展。哥本哈根 Kampmansgade 办事处。高度 / 宽度比 0.8 。 e ）顶层建筑屋顶太阳能电池。 f ）基于半透明 PSC 的温室屋顶示意图。

理论计算表明，在 1 个标准太阳辐照度下，带隙为 1.34 eV 的单结 PSC 的 S-Q 极限效率为 33.7% ，而双结和三结太阳能电池的理论 PCE 分别为 46% 和 50% ，如图 9b 。 TSC 补偿了宽带隙电池引起的光吸收损失，从而提高整个电池的光利用率，如图 9a ， c 。考虑到钙钛矿的带隙可以通过组成工程调整在 1.17 至 2.24eV 的范围内， PSC 被认为是用于多结器件的最有前途的顶部电池。钙钛矿 / 硅、钙钛矿 /CIGS 、钙钛矿 / 钙钛矿和钙钛矿 / 聚合物多结电池已成为有前途的光伏技术，为商业化提供了可行的途径。近红外（ NIR ）透明的 ST-PSCs 可以作为串联配置的顶部电池与已建立的光伏技术（如 c-Si 和 CIGS ）结合，实现具有最小附加成本的高效率装置。因此，当 ST-PSCs 应用于 TSC 时，需要保持一定的 NIR 透明度。得益于 NIR 透明 ST-PSCs 的成功，自 2015 年首次实现基于 PSC 的 TSC 以来，由具有 Si 、 PSC 和 CIGS 的 ST-PSCs 组成的 TSC 取得了显著而快速的进展。

图 9 a ）单片集成串联装置示意图。 b ）基于 S-Q 理论的单结太阳能电池理论 PCE 。 c ） TSC 的吸收光谱。 d ） TSC 的理论 PCE 。 e ）串联 Si/ 钙钛矿太阳能电池的示意图。 f ）概述了两个终端钙钛矿 /CIGS 太阳能模块架构及其电气连接的示意布局。 g ） 2T 串联电池结构示意图。

重点从光子传播管理和载流子动力学调节方面最大化 ST-PSCs 的 LUE 深入综述了 ST-PSCs 的最新进展。光子传播管理旨在解决光损耗问题，当前研究主要集中在三点：增强光吸收、减少光反射，增加透过率。载流子动力学调控主要在解决光生载流子损耗带来的 V _OC 损失，包括钙钛矿体相的载流子输运调控、器件界面处的载流子提取、无机钙钛矿中的载流子重组抑制。自 2014 年首次出现 ST-PSCs 以来，经过八年的发展， LUE 从 0.56% 增至 6.17% （图 10a 、 b 、 c ）。相信在不久的将来，通过学术界和工业界的协同努力，一定可以尽快实现 ST-PSCs 的真正商业化。