研究表明，雙面鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性仍然相對較低。美國北卡羅來納大學黃勁松團隊報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，能夠保護鈣鈦礦薄膜不受潮。同時，將具有適當尺寸和間距的二氧化硅納米顆粒整合到鈣鈦礦薄膜中，以恢復因沒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23 mW cm-2。即使在60±5℃下浸泡6000小時后，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。
在過去幾年中，小面積鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的認證功率轉(zhuǎn)換效率（PCEs）迅速增加到25%以上，與市場主導的硅太陽能電池相當，但尺寸仍然小得多（<1cm）。
同時，通過鈣鈦礦、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，必須將小面積實驗室規(guī)模的PSC轉(zhuǎn)移到大面積模塊中，同時保持其高效率和良好的穩(wěn)定性，以實現(xiàn)該技術(shù)的商業(yè)化。
最近的一些努力致力于通過填補碘化物空缺來抑制碘化物遷移來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)定效率仍遠遠落后于小型電池。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)已被證明可以通過從背面收集反射和漫射的陽光來提高硅太陽能組件的能量產(chǎn)量，硅雙面組件的市場份額近年來迅速上升。
由此提出的反照率由地表反射的太陽光比定義，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，它們的效率遠遠落后于單面電池和模塊。要實現(xiàn)高效和大面積的雙面鈣鈦礦太陽能組件，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)中沒有反射金屬電極而導致長波長光吸收不足。
雙面組件的后電極需要不同的設計，以實現(xiàn)與金屬電極相當?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MA0.7FA0.3PbI3或FA0.92Cs0.08PbI3，CsI略過量。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通過原子層沉積（ALD）生長的層用作緩沖層。
在后ITO電極上應用銀網(wǎng)格是降低電阻損耗的有效方法，但需要合理的設計來平衡電阻損耗和銀柵的陰影效應，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，計算了最佳Ag網(wǎng)格間距。當Ag網(wǎng)格的寬度和高度固定在0.2 mm和500 nm時，這是使用陰影掩模通過熱蒸發(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PCE損耗從8.6%降低到<0.9%，同時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3.?通過嵌入式SiO2 NPs增強吸收和光電流
總之，本文已經(jīng)展示了鈣鈦礦雙面微型組件的設計和開發(fā)，其正面效率可與最好的單面組件相媲美，電極設計實現(xiàn)了電導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)認證的穩(wěn)定前效率為19.2%，后效率為14.1%），孔徑面積超過20 cm2，在1次太陽光照和0.2反照率下的發(fā)電密度為26.4 mW cm-2，遠遠高于經(jīng)認證的最佳單面模塊。
更加重要的是，雙面微型模塊在模擬的1個太陽光照下浸泡6000小時后保留了97%的初始PCE。
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
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