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研究表明，雙面鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的效率和穩(wěn)定性仍然相對(duì)較低。美國(guó)北卡羅來(lái)納大學(xué)黃勁松團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種具有與不透明的單面同模相似的雙面微型模塊，同時(shí)能夠從反照光中獲得額外的能量。

結(jié)果顯示，在空穴傳輸層中添加疏水添加劑，能夠保護(hù)鈣鈦礦薄膜不受潮。同時(shí)，將具有適當(dāng)尺寸和間距的二氧化硅納米顆粒整合到鈣鈦礦薄膜中，以恢復(fù)因沒(méi)有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次太陽(yáng)光照和0.2反照率下的發(fā)電密度為26.4 mW cm^-2，雙面微型組件的正面效率超過(guò)20%，雙面效率為74.3%，因此在反照率為0.2的情況下發(fā)電密度超過(guò)23 mW cm^-2。即使在60±5℃下浸泡6000小時(shí)后，雙面微型模塊保持了97%的初始溫度。

相關(guān)文章以“Design optimization of bifacial perovskite minimodules for improved efficiency and stability”為題發(fā)表在Nature Energy上，這也是黃勁松教授發(fā)表的第九篇Nature Energy。

再創(chuàng)記錄！黃勁松教授第9篇Nature Energy！

研究背景

在過(guò)去幾年中，小面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）的認(rèn)證功率轉(zhuǎn)換效率（PCEs）迅速增加到25%以上，與市場(chǎng)主導(dǎo)的硅太陽(yáng)能電池相當(dāng)，但尺寸仍然小得多（<1cm）。

同時(shí)，通過(guò)鈣鈦礦、界面和電極的組成和加工工程，小面積PSC也證明了其穩(wěn)定性的快速提高。然而，必須將小面積實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的PSC轉(zhuǎn)移到大面積模塊中，同時(shí)保持其高效率和良好的穩(wěn)定性，以實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的商業(yè)化。

最近的一些努力致力于通過(guò)填補(bǔ)碘化物空缺來(lái)抑制碘化物遷移來(lái)提高鈣鈦礦微型模塊的效率和穩(wěn)定性，但鈣鈦礦微型組件的最高穩(wěn)定效率仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于小型電池。此外，鈣鈦礦微型模塊的穩(wěn)定性很少被報(bào)道，特別是關(guān)于鈣鈦礦模塊特有的其他降解途徑。

雙面結(jié)構(gòu)已被證明可以通過(guò)從背面收集反射和漫射的陽(yáng)光來(lái)提高硅太陽(yáng)能組件的能量產(chǎn)量，硅雙面組件的市場(chǎng)份額近年來(lái)迅速上升。

由此提出的反照率由地表反射的太陽(yáng)光比定義，該比率決定了額外輻射量和雙面組件的提升。許多地理位置的平均反照率記錄為0.2或更高，雙面硅組件的戶外性能測(cè)試表明，根據(jù)反照率和安裝條件，功率輸出比單面組件高5%至30%以上。

然而，關(guān)于雙面鈣鈦礦電池和模塊的研究很少，它們的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于單面電池和模塊。要實(shí)現(xiàn)高效和大面積的雙面鈣鈦礦太陽(yáng)能組件，需要解決關(guān)鍵挑戰(zhàn)，例如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)中沒(méi)有反射金屬電極而導(dǎo)致長(zhǎng)波長(zhǎng)光吸收不足。

圖文詳解

模塊結(jié)構(gòu)及后電極

雙面組件的后電極需要不同的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)與金屬電極相當(dāng)?shù)牡碗娮钃p耗。雙面鈣鈦礦模塊結(jié)構(gòu)如圖1a所示，其采用p-i-n鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，圖1b從背面顯示了鈣鈦礦雙面模塊的照片。

雙面鈣鈦礦模塊中PTAA和C60作為空穴和電子傳輸層（分別為HTL和ETL），本文研究的鈣鈦礦含有MA_0.7FA_0.3PbI₃或FA_0.92Cs_0.08PbI₃，CsI略過(guò)量。在各種透明電極材料中，濺射沉積的透明氧化物，如氧化銦錫（ITO），由于其工業(yè)加工性，仍然是最佳選擇之一。為了避免濺射損壞下層，緊湊型SnO₂通過(guò)原子層沉積（ALD）生長(zhǎng)的層用作緩沖層。

在后ITO電極上應(yīng)用銀網(wǎng)格是降低電阻損耗的有效方法，但需要合理的設(shè)計(jì)來(lái)平衡電阻損耗和銀柵的陰影效應(yīng)，從而降低雙面增益。

如圖1c所示，作者使用最大雙面增益作為參考，鈣鈦礦帶隙為1.53 eV，計(jì)算了最佳Ag網(wǎng)格間距。當(dāng)Ag網(wǎng)格的寬度和高度固定在0.2 mm和500 nm時(shí)，這是使用陰影掩模通過(guò)熱蒸發(fā)可以制成的最窄網(wǎng)格。

建模表明，在加入間距為~2 mm的Ag網(wǎng)格后，后電極電阻引起的相對(duì)PCE損耗從8.6%降低到<0.9%，同時(shí)FF從0.70增加到0.77。與單面組件相比，雙面鈣鈦礦模塊的功率輸出增加了15%，反照率為0.2。

圖1. 雙面鈣鈦礦模塊結(jié)構(gòu)及效率模擬

圖2.?HTL中的疏水添加劑

圖3.?通過(guò)嵌入式SiO₂NPs增強(qiáng)吸收和光電流

圖4.?雙面鈣鈦礦太陽(yáng)能電池和微型組件的光伏性能

總之，本文已經(jīng)展示了鈣鈦礦雙面微型組件的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，其正面效率可與最好的單面組件相媲美，電極設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電導(dǎo)率和雙面增益的良好平衡。

雙面微型組件的前后效率分別為20.2%和15.0%（經(jīng)認(rèn)證的穩(wěn)定前效率為19.2%，后效率為14.1%），孔徑面積超過(guò)20 cm²，在1次太陽(yáng)光照和0.2反照率下的發(fā)電密度為26.4 mW cm^-2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于經(jīng)認(rèn)證的最佳單面模塊。

更加重要的是，雙面微型模塊在模擬的1個(gè)太陽(yáng)光照下浸泡6000小時(shí)后保留了97%的初始PCE。

文獻(xiàn)信息

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

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2023/10/08/3858c6e82c/

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