eLight·封面 | 双面全钙钛矿叠层太阳能电池

一、双面全钙钛矿叠层太阳能电池潜力

得益于金属卤化物钙钛矿较长的载流子扩散长度、高吸收系数和高缺陷容忍度，金属卤化物单结钙钛矿太阳能电池的光电转化效率在近十年内迅速提高到25%以上。进一步提高钙钛矿太阳能电池效率以降低度电成本是实现产业化应用的关键。而全钙钛矿叠层太阳能电池通过将两种不同带隙钙钛矿吸收层叠加，可有效扩宽电池的吸收光谱和降低热弛豫损失，是克服单结电池肖克利-奎伊瑟效率极限的重要途经。

2016年牛津大学Henry J. Snaith团队报道了世界首个全钙钛矿叠层太阳能电池器件。近期，全钙钛矿叠层电池的效率已高达28%，超过了主流晶硅太阳能电池的最高效率26.7%，展现了全钙钛矿叠层电池的商业化潜力。另一个能有效提高电池输出功率的策略是采用双面电池结构。在双面电池结构中，电池可以同时吸收来自正面和背面的光。由于在实际情况中电池背面可以接收来自地面和环境的反射和散射光，因此双面结构可以有效的提升器件的输出功率。此外，双面电池的背电极常采用透明导电氧化物 (TCO)，这有利于阻挡卤素的扩散进而提高钙钛矿电池稳定性。前期已有研究人员通过数值模拟表明结合叠层结构和双面结构的双面叠层太阳能电池相比单面叠层能显著的提升输出功率密度。

近日，南京大学谭海仁教授团队采用透明导电氧化物作为全钙钛矿叠层电池的背电极，制备了双面全钙钛矿叠层电池。该团队通过能带工程，实现了器件在不同背光下的电流匹配。最终双面全钙钛矿叠层电池在实际可达到的背反光下获得了高达28.51 mW cm⁻²的输出功率密度。此外，模拟计算进一步表明在实际场景下双面电池可实现更高的年能量输出。

该成果以“Revealing the output power potential of bifacial monolithic all-perovskite tandem solar cells”发表在卓越计划高起点新刊eLight。

二、双面全钙钛矿叠层电池的设计和光伏特性

通常单面全钙钛矿叠层电池采用金属作为背电极，金属具有较好的导电性且具有背反射作用，但较厚金属电极的非透光性使得单面电池无法利用入射到电池背面的光。为了实现对入射到电池背面光的有效利用，研究者采用具有优异光电特性的透明导电薄膜作为背电极，同时利用原子层沉积（ALD）生长SnO₂薄膜以减小透明导电薄膜制备过程中引起的溅射损失。此外，研究者通过钙钛矿的组份工程调控顶电池的带隙，实现了不同入射光强下双面全钙钛矿叠层的电流匹配。

图1：双面全钙钛矿叠层电池的示意（左）和扫描电镜（右边）图

在实际可达到的背反射光强(30 mW cm⁻²)条件下，制备的全钙钛矿叠层获得了高达28.51 mW cm⁻²的输出功率密度，相比单面叠层电池24.36 mW cm⁻²的功率密度实现了17%的相对提升。进一步，通过模拟计算在考虑实际环境不同地面反射率的情况下，双面电池显示出了超过20%的相对年能量输出增益。

图2：具有不同宽带隙钙钛矿的双面全钙钛矿叠层和1.77 eV宽带隙钙钛矿单面叠层电池（1.77 eV-Mono）（a）在无背光和30 mW cm⁻²背光测试条件下的输出功率密度, (b) 输出功率和背反射功率的关系，和（c）在不同平均背反射率（RA）下模拟计算的年能量输出

三、前景展望

该研究结果表明在30 mW cm⁻²背反光情况下，双面电池相对单面电池展示了17%的相对输出功率增益。进一步优化双面电池的光学特性有望实现相比单面电池20%的输出功率密度增益。考虑目前单面全钙钛矿电池实际可达到的经验输出功率密度极限33.6 mW cm⁻²，如果采用双面电池结构，在20%的增益条件下有望实现器件高达40.32 mW cm⁻²的输出功率密度。此外，双面全钙钛矿叠层由于制备温度工艺低，有望制备柔性双面全钙钛矿叠层器件。

| 论文信息 |

Li, H., Wang, Y., Gao, H. et al. Revealing the output power potential of bifacial monolithic all-perovskite tandem solar cells. eLight 2, 21 (2022). 

https://doi.org/10.1186/s43593-022-00028-w

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