纳米结构对钙钛矿太阳能电池光俘获调控的研究

地球上现有的化石燃料的日渐短缺及其带来的环境污染的困扰促使研究者们将目光转向清洁的可再生能源。太阳能作为清洁安全、资源丰富的新型能源长期以来获得了广泛关注,其利用和转换技术的发展日新月异。尤其是近年来太阳能电池领域中发展最为迅猛的钙钛矿太阳能电池,历经不到十年的发展时间其器件效率已迅速突破22%,被认为是未来最有潜力成为工业化应用的太阳能电池技术之一。因此,研究如何进一步提升钙钛矿太阳能电池的光电转化效率具有重要意义。

影响太阳能电池效率的原因可大体分为两种:电学损失和光学损失。电学损失,主要来自于光生载流子输运过程中的复合损失,这取决于材料自身性质和器件结构设计。光学损失,主要是由于表面反射、遮挡损失、电池材料本身的光谱响应特性等引起的器件光俘获效率的损失。目前,新型钙钛矿材料和新型器件结构源源不断地被研发出来,特别是从减少电学损失的角度为提升钙钛矿太阳能电池的光电转化效率提供了很多新思路。与此同时,对于提升钙钛矿太阳能电池性能,减少光学损失也是亟待解决的重要问题。

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最近,苏州大学唐建新教授及其研究团队提出了一种通过光学调控提升钙钛矿太阳能电池效率的方法。他们通过软纳米压印的方法,将周期性的一维光栅结构和准周期的蛾眼结构引入钙钛矿太阳能电池的金属背电极中,通过纳米结构引起的光散射现象和纳米尺度结构化的金属背电极激发的表面等离子体共振效应等协同作用下增强电池器件的光俘获效率,达到提高光电转化效率的目的。相比于常规的平面器件,引入一维光栅和蛾眼纳米结构的钙钛矿太阳能电池的光生电路得到了显著提升,而纳米结构的存在对于开路电压和填充因子并没有产生明显影响,因此有效实现了器件光电转换效率分别提升了8.3%和14.3%。研究团队详细对比了周期性的光栅结构和准周期的蛾眼结构对于器件光电转换过程的作用原理,结合光学模拟计算,进一步验证及阐述了纳米结构对于钙钛矿太阳能电池器件光调控的影响以及蛾眼纳米结构的独特优势。这种方法操作简单,与溶液法制程的钙钛矿太阳能电池工艺流程兼容,为今后高性能钙钛矿太阳能电池的产业化开发提供了新思路。相关工作发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201700492)上。