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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

小面积钙钛矿太阳能电池(PSCs)的认证功率转换效率(PCEs)在过去几年中迅速增加到25%以上，与市场上主导的硅太阳能电池相当，但受限于其尺寸较小(<1 cm²)。通过钙钛矿、界面和电极的组成和加工工程，也证明了小面积PSCs的稳定性得到了迅速提高。将小面积实验室规模的PSCs转化为大面积模块，同时保持其高效率和良好的稳定性，对于该技术的商业化至关重要。

然而，钙钛矿组件的发展仍存在以下问题：

1、钙钛矿微型组件的最高稳定效率仍然远远落后于小型电池

虽然通过填充碘化物空位来抑制碘化物的迁移，用固态碳酰肼来减少衬底界面的空隙，通过卤化物模板策略等控制成核和结晶过程可以提高钙钛矿微型组件的效率和稳定性，但钙钛矿微型组件的最高稳定效率仍然远远落后于小型电池。

2、钙钛矿微组件的稳定性鲜有报道

钙钛矿微型组件的稳定性很少有报道，特别是关于钙钛矿组件特有的额外降解途径。

3、双面钙钛矿电池输出功率高，但效率远低于单面钙钛矿

双面结构已被证明在通过从背面收集反射和扩散的阳光来提高硅太阳能组件的能量产量方面具有强大的作用，但关于双面钙钛矿电池和组件的研究很少，而且它们的效率远远落后于单面钙钛矿电池和组件。

4、高效率和大面积的双面钙钛矿太阳能组件需克服以下挑战

为实现高效率、大面积的双面钙钛矿太阳能组件需克服后半透明电极的电阻损耗增加，以及由于双面器件结构中缺乏反射金属电极而导致的长波光吸收不足等关键挑战。

有鉴于此，北卡罗来纳大学教堂山分校黄劲松等人报道了双面微型模块，其正面效率与不透明的单面组件相当，同时从反照率光中获得额外的能量。通过在孔传输层中添加疏水添加剂，以保护钙钛矿膜不受潮。将适当尺寸和间距的二氧化硅纳米颗粒集成到钙钛矿薄膜中，以弥补由于缺乏反射金属电极而引起的吸收损失。小面积单结双面钙钛矿电池在1个太阳光照下的发电密度为26.4 mW cm^-2，反照率为0.2。双面微型组件的正面效率超过20%，双面性为74.3%，反照率为0.2时的发电密度超过23 mW cm^-2。在60±5°C下，在1个太阳光下浸泡超过6000小时后，双面微型模块保持了97%的初始效率。

技术方案：

1、设计了模块结构及背电极

作者展示了双侧钙钛矿组件结构，通过在后置ITO电极上施加银栅降低电阻损失，在反照率为0.2的条件下，双面组件的模拟PGD达到23.5 mW cm⁻²。

2、探究了疏水添加剂对钙钛矿薄膜稳定性的影响

作者在钙钛矿薄膜中引入TPFB作为添加剂，以减轻水分对钙钛矿薄膜的损害，结果表明TPFB修饰的钙钛矿具有更疏水的表面，，增加了钙钛矿膜的抗湿性，钝化了钙钛矿薄膜。

3、调控了电介质纳米粒子的光散射

作者在钙钛矿中引入纳米粒子(NPs)来散射入射的阳光，从而增加光程以克服双面模块中钙钛矿的光吸收损失，发现SiO₂ NPs要大于400 nm才能有效散射红光和近红外光，要小于600 nm才能最大限度地减少紫外可见光的吸收损失。

4、表征了双面组件的光伏性能

作者探究了双面钙钛矿组件的光伏性能，其发电密度为26.4 mW cm ^{- 2} ，6000h后的性能保留了97%。

技术优势：

1、获得了创纪录的高效率和稳定性的双面钙钛矿微型组件

作者展示了钙钛矿双面微型模块的设计和开发，获得了创纪录的高效率和稳定性。双面微型组件的前、后效率分别为20.2%和15.0%(经认证的前稳定效率为19.2%，后稳定效率为14.1%)。

2、实现了已报道的最稳定的钙钛矿微型组件

双面微型组件在模拟1太阳光照下浸泡6000小时后，保留了97%的初始PCE。

3、获得了远高于单面钙钛矿的电池效率

作者制备的双面微型组件在1个太阳光照下的PGD超过23 mW cm ^{- 2}，反照率为0.2，远高于经认证的最佳单面模块。

技术细节

模块结构及背电极

挑战1：双面模块的背电极需要不同的设计来实现与金属电极的低电阻损耗。作者展示了双侧钙钛矿组件结构，双表面钙钛矿组件以PTAA和富勒烯作为空穴和电子传输层。在后置ITO电极上施加银栅是降低电阻损失的有效方法，但需要合理的设计来平衡电阻损失和银栅的阴影效应，从而降低了双面增益。以最大双面增益为参考计算了最佳Ag栅格间距。模拟结果表明，加入间距约2 mm的Ag栅格后，后电极电阻引起的相对PCE损耗从8.6%降低到<0.9%，FF从0.70提高到0.77。与单面组件相比，双面钙钛矿组件的反照率为0.2，输出功率增加15%。在反照率为0.2的条件下，最佳Ag栅格间距为1.7 mm，双面组件的模拟PGD达到23.5 mW cm⁻²。

图  双面钙钛矿组件结构及效率模拟

空穴输运层中的疏水添加剂

挑战2：SnO₂的ALD沉积对双面钙钛矿微型组件制造的钙钛矿产生了破坏。作者在钙钛矿薄膜中引入了一种防水材料——三(五氟苯基)硼烷(TPFB)作为添加剂，以减轻水分对钙钛矿薄膜的损害。在钙钛矿薄膜中添加的TPFB/Pb为0.007 mol%时，双面PSCs的重现性明显提高，但PCE较低。幸运的是，将5%的TPFB混合到PTAA空穴传输层(HTL)中，出人意料地保护了钙钛矿薄膜在ALD过程中免受水分损害，并且比在钙钛矿薄膜中添加TPFB或修改钙钛矿表面产生了更好的器件再现性。接着，作者进一步探究了PTAA中的TPFB会增强钙钛矿的抗湿性。结果表明TPFB修饰的钙钛矿具有更疏水的表面，部分TPFB从HTL扩散到钙钛矿膜表面，增加了钙钛矿膜的抗湿性。TPFB也能钝化钙钛矿薄膜，覆盖一层TPFB的钙钛矿薄膜具有更强的光致发光(PL)强度和更长的复合寿命。

图  HTL中的疏水添加剂

电介质纳米粒子的光散射

挑战3：将单面模块转变为双面模块由于缺乏反射/不透明的金属电极，存在相同厚度的钙钛矿的光吸收损失。作者在钙钛矿中引入纳米粒子(NPs)来散射入射的阳光，从而增加光程。采用三维时域有限差分(FDTD)方法研究了球形SiO₂纳米粒子在钙钛矿薄膜中散射红光和近红外光的最佳尺寸和间距，发现SiO₂ NPs要大于400 nm才能有效散射红光和近红外光，要小于600 nm才能最大限度地减少紫外可见光的吸收损失。进一步研究了NPs对电荷重组和提取的影响，含有NPs的钙钛矿薄膜与没有NPs的优化钙钛矿薄膜相比，具有相当的PL强度和载流子寿命，这表明这些NPs没有为钙钛矿薄膜引入额外的非辐射电荷重组途径。

图  包埋SiO₂纳米粒子增强吸收和光电流

双面组件的光伏性能

综合上述策略，小型MA_0.7FA_0.3PbI₃双面PSC的正面PCE与优化后的带Cu电极的不透明PSC相当，背面PCE达到18.5%，双面性高达80%。双面PSC的EQE证实了来自两侧光的JSC，这也表明C₆₀的寄生吸收限制了双面性。得益于高正面效率和双侧性，孔径面积为8 mm²的双面电池在反照率为0.2的情况下，估计发电密度为26.4 mW cm ^{- 2} ，优于任何报道过的单结钙钛矿太阳能电池。在开路条件和60±5°C的温度下，从正面光浸泡6000小时后，最佳的双面微型组件保留了97%的初始PCE ，这是报道过的最稳定的钙钛矿微型组件。

图  双面钙钛矿太阳能电池和微型组件的光伏性能

总之，作者展示了钙钛矿双面微型模块的设计和开发，其正面效率可与最好的单面模块相媲美。后栅电极的设计使电导率和双面增益达到了良好的平衡。PTAA中引入的TPFB扩散到钙钛矿表面，显著增强了双面PSCs的耐水性和再现性。在钙钛矿薄膜中嵌入SiO₂纳米粒子，通过对红光和近红外光的散射，增加了双面PSCs的吸收。在反照率为0.2的条件下，双面微型组件的估计发电密度超过23 mW cm ^{- 2}，在没有温度控制的情况下，在模拟的1太阳光照下浸泡后，其T₉₇寿命超过6000小时。

参考文献：

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