InfoMat:半透明钙钛矿太阳能电池研究进展

随着能源需求不断扩大,带来环境污染问题也日益突显,人们对可再生能源的需求越来越迫切,太阳能作为清洁可再生能源的代表之一长期以来一直受到广泛关注。随着光伏产业的蓬勃发展,在新材料中钙钛矿材料以其制备成本低、载流子迁移率高、电子和空穴扩散长度长、吸收系数大等优越的光电特性备受科研人员青睐。另一方面基于钙钛矿可透明化特性设计制造的半透明钙钛矿太阳能电池(ST-PSCs)因其在发电窗户、建筑集成光伏、农业温室等领域的巨大潜力而受到越来越多的关注。

吉林大学段羽教授团队提供了一份针对半透明钙钛矿太阳能电池最新发展的评述。这篇综述在ST‐PSCs的器件结构设计(包括叠层器件)、透明电极、色彩调整策略和稳定性等方面重点介绍了ST‐PSCs研究和开发的最新进展,同时对于ST‐PSCs未来的发展,作者提出了自己的看法:(1)针对ST‐PSCs的应用场景(如建筑物立面),需开发柔性可粘贴ST‐PSCs;(2)考虑到目前ST‐PSCs的效率远低于非透明PSCs,因此需开发价格更加低廉新型柔性电极;(3)人眼对透光性和颜色的感知极为敏感,利用光学工程等方案(例如使用介质镜或DMD电极)实现对太阳光的再次利用,以及对ST-PSCs的显色指数进行调控很重要;(4)钙钛矿材料对水汽较为敏感(尤其对于柔性ST-PSCs),开发可靠的薄膜封装工艺可能是提高ST-PSCs稳定性的关键因素。

该工作InfoMat上以题为“Recent advances in semitransparent perovskite solar cells”在线发表(DOI: 10.1002/inf2.12154)。

我们摘取了文章里的几部分重点给大家做个介绍:

  1. 的器件结构:

器件的结构直接影响器件的效率、透明度和稳定性,因此器件结构的合理选择至关重要。(A)减薄钙钛矿吸收层可以为钙钛矿太阳能电池提供光透过。当吸光层厚度小于可见光穿透深度时,超薄吸光层可以透射可见光。(B)利用有序的微结构模板制备钙钛矿吸光层,在获得了足够的光吸收的同时,内部的孔洞为可见光的传输提供了通道,从而实现了光收集和透明度之间的平衡。(C)钙钛矿吸
光层材料本征结构调整。

图1 三种不同半透明钙钛矿吸收体结构的制备策略及光电效应。

  • ST‐PSCs的透明电极:

ST‐PSCs透光度直接受到电极的影响。目前,ITO由于其优异的光电性能和商业实用性,成为半透明和不透明光电器件常用的透明电极。虽然ITO是一种良好的透明电极,但由于其杨氏模量较大,制备成本较高等限制其在柔性器件中的应用。本文主要从金属氧化物类太阳能电池、金属电极、碳基电极和石墨烯类电极四个方面对使用不同电极的ST‐PSCs进行了总结与展望,其中图2为采用不同电极的ST‐PSCs。


图2对目前使用不同电极的ST‐PSCs。

  • ST‐PSCs的颜色调节

目前钙钛矿太阳能电池领域的研究集中在研究太阳能电池的稳定性和PCE,很少有人关注其颜色和形状等问题,但是在建筑上应用,人眼的视觉感受也是重要的实用化指标。高效率钙钛矿薄膜通常呈现几乎不透明红棕色,这成为ST‐PSCs在实际应用中的影响因素。本文从钙钛矿材料和器件结构两个角度讨论了目前ST‐PSCs颜色调整的途径。同时对人眼对不同颜色的视觉感受进行了讨论,以期开发出人眼感受舒适的高效ST‐PSCs。其中图3为彩色太阳电池预测工具示意图。

图3为彩色太阳电池预测工具示意图。

  • 半透明钙钛矿太阳能电池在叠层器件中应用

钙钛矿太阳能电池的高效率与钙钛矿材料本身带隙可调节能力相结合,使其成为低成本叠层太阳能电池中宽禁带顶部吸收层的候选材料。叠层太阳能电池具有通过堆叠两个或多个响应太阳光谱不同部分的不同电池单元,从而提高太阳能吸收。当将较宽带隙的PSCs与现有的低带隙光伏技术(如铜铟镓硒(CIGS)或晶体硅(c-Si))串联配置时,通过理论计算模拟其PCE可大于33%(单结c-Si太阳能电池的理论效率极限(29%))。有望进一步降低太阳能电池的平均电力成本。叠层太阳能电池的生产,一般有双结(2T)和四结(4T)两种设计方案如图4所示。

图4 多结太阳能电池结构示意图。

  • ST‐PSCs的稳定性

从建筑业的角度来看,窗户和建筑物的预期使用寿命应在5至25年左右。目前PSCs的稳定性距此还有很大的差距。本文对ST‐PSCs的稳定性进行了总结,目前对ST-PSCs稳定性的讨论主要集中在金属或金属氧化物电极方面,而值得注意的是石墨烯等碳基材料在用作非透明钙钛矿太阳能电池的电极时,在提高器件稳定性方面表现出了良好的效果。因此将非金属材料电极应用在提高ST‐PSCs的稳定性方面值得期待。

团队简介:

段羽,吉林大学电子科学与工程学院,教授/博士生导师。从事应用于显示/照明的有机光电子器件研究,发表SCI收录论文100余篇,获12项授权专利,担任Journal electronic materials杂志副主编。主持并参与了科技部政府间国际合作专项, “863”,“973”计划项目以及国家自然科学基金等10余项项目,并在国内外学术会议做特邀报告20余次。主要研究成果:自行研制的薄膜水汽透过率测试设备,打破了美国模康公司在这一领域垄断,首次将高性能薄膜封装技术引入到气体透过性测试中,获得了10E-6g/m2·day的水汽测试精度,2020年通过了第三方技术鉴定,获得中国商业联合会科技进步一等奖,吉林省科技成果二等奖(1项),2017年入选第七批长白慧谷人才,2018年被授予吉林省青年科技奖。