前言

如何在不牺牲半透明特性的前提下，提高太阳能电池的效率和稳定性，一直是一项重要的挑战。传统的解决方案主要集中在通过添加功能性障碍层来改善钙钛矿晶界的稳定性，但这往往不足以解决所有问题。因此，探索新的策略来提升半透明太阳能电池的性能，推动钙钛矿光伏技术在降低建筑能耗方面的应用至关重要。

中国科学院宋延林研究员和郑州大学马俊杰教授、张懿强教授团队在Advanced Energy Materials（26th Aug. 2024_ DOI: 10.1002/aenm.202402595）期刊发表了一种通过应变工程稳定双面半透明钙钛矿太阳能电池（ST-PSCs）相位均匀性的方法。该方法利用压缩应变重建钙钛矿晶体结构，消除相分离并抑制光诱导的离子迁移，同时采用透明的光捕获结构提高光捕获效率。结果表明，双面ST-PSCs实现了13.97%的等效效率和41.58%的平均可见光透过率，光利用效率高达5.8%。该研究为开发高性能半透明钙钛矿太阳能电池提供了新的策略。

导读目录

1.       前言

2.       研究目的

3.       研究方法

4.       器件与表征

5.       结论

研究目的

1. 通过应变工程改善双面半透明钙钛矿太阳能电池（ST-PSCs）的相位均匀性，以提高其结构稳定性和光电性能。

2. 开发一种新型的ST-PSCs，具有双面光捕获配置，能够从设备的两侧利用光线，从而提高光利用效率（LUE）。

3. 利用在位重构策略（ISR）和酸阴离子主导的剂来引发压缩应变，从而强化钙钛矿晶格，抑制离子迁移，并改善相位稳定性。

4. 通过实验验证和理论计算，揭示压缩应变在抑制相分离和提高光稳定性方面的作用机制。

5. 实现高性能的ST-PSCs，具有优异的等效效率（neg）、平均可见光透射率（AVT）和LUE，以满足建筑物整合光伏（BIPV）和其他应用的需求。

6. 研究未封装设备的长期运行稳定性，并展示其在持续光照条件下的性能保持能力。

研究方法

重构策略（In Situ Reconstruction, ISR）是通过在钙钛矿薄膜表面锚定酸阴离子主导的剂来应用于双面半透明钙钛矿太阳能电池（ST-PSCs）的。这些酸阴离子主导的剂（如NO3^-, PO4^3-, CO3^2-）与钙钛矿框架之间的结合力产生了压缩应变，这对维持结构的刚性以抵抗光照刺激至关重要。

压缩应变通过硅酸盐的立体阻碍效应，导致局部晶格排列得更紧密，从而增加了离子迁移的能量障碍。这种方法不仅促进了薄膜的均匀性，还通过在位重构策略，利用酸阴离子主导的剂来改善相位稳定性，并抑制了光诱导的离子迁移。此外，研究还设计了一种新的ST-PSCs，具有双面光捕获配置，以提高功率生成。这种创新设计实现了高光利用效率（LUE）、等效效率（neg）和平均可见光透射率（AVT）。

器件与表征

1.       材料表征：使用光谱仪进行傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，使用X射线光电子能谱仪进行X射线光电子能谱（XPS）分析，使用扫描电子显微镜进行表面形态和能量色散X射线光谱（EDS）分析，以及使用紫外-可见-近红外分光亮度计进行紫外-可见-近红外吸收光谱分析。

2.       电性能测量：在AM 1.5G, 1 sun模拟的照射条件下，使用Enlitech的SS-X180R系统测量双面半透明钙钛矿太阳能电池（ST-PSCs）的电流密度-电压（J-V）特性。

圖S18：（a）雙面半透明鈣鈦礦太陽能電池（ST-PSCs）的設備結構；（b）經過微結構（MSs）處理和未經處理的設備的電流密度-電壓（J-V）特性曲線。

圖5d：展示了雙面光捕獲半透明鈣鈦礦太陽能電池（ST-PSCs）的J-V曲線，這些曲線是在玻璃基板和透明電極下的入射光條件下測量的。

Enlitech的SS-X180R系统在测量双面半透明钙钛矿太阳能电池的J-V特性时，具体优势包括：

l  精确的太阳光模拟：SS-X180R系统能够提供AM 1.5G, 1 sun的模拟太阳光照，即100 mW/cm2的照度，这是国际标准的测试条件，用于评估太阳能电池的性能。

l  双面测量能力：该系统适合测量双面半透明太阳能电池，能够分别测量前侧和后侧的J-V特性。

l  高灵敏度：系统设计用于捕捉电池在不同光照条件下的精细电性能变化，提供高精度的测量结果。

l  用户友好的操作界面：配有直观的软件界面，使得测量过程简单易行，并且能够快速分析和呈现数据。

l  全面的数据分析：除了基本的J-V曲线外，该系统还可测量Voc, Isc, FF, Imax, Vmax, Pmax, η, Rs, Rsh参数，帮助研究人员进一步理解太阳能电池的性能。

Enlitech太阳光模拟器SS-X实际装机示意图

3.       X射线衍射分析：使用多功能X射线衍射仪进行X射线衍射（XRD）分析，使用Cu Kα辐射（λ=1.54184 Å）。

4.       晶体结构分析：使用分光计进行掠入射广角X射线衍射（GIWAXS）分析，以及使用X射线衍射仪进行掠入射X射线衍射（GIXRD）分析，以测量表面晶格应力。

5.       空间电荷限制电流（SCLC）测量：用于研究电荷载流子迁移率和陷阱密度，并使用公式计算缺陷密度。

6.       光利用效率（LUE）评估：作为评估ST-PSCs性能的综合指标，结合了PCE（光电转换效率）和AVT（平均可见光透过率）。

结论

为了稳定双面半透明钙钛矿太阳能电池（ST-PSCs）的相位均匀性，研究团队提出了一种通过原位晶格重构初始化压缩应力的方法。使用酸阴离子主导的剂来锚定和重构钙钛矿晶格，从而形成了具有方向性的晶体结构和均匀分布的载流子空间分布。这种方法增强了结构抵抗光照刺激的刚性，抑制了离子迁移，并提高了相位稳定性。

此外，研究团队开发了一种用于ST-PSCs的双面光捕获配置，显着提高了光利用效率（LUE）。该配置实现了5.8%的LUE、13.97%的等效效率（neg）和41.58%的平均可见光透过率（AVT），在透明度和效率之间取得了良好的平衡，使其在实际应用中具有潜力。

研究发现，化学基团与溴离子和碘离子之间的结合能对产生压缩应变至关重要，其中CO薄膜表现出比NO和PO薄膜更高的结合能。这种局部应变有助于通过锚定阳离子将不稳定的溴离子和碘离子固定在原地。

此外，未封装的器件在经过该方法处理后表现出优异的稳定性，在最大功率点（MPP）条件下连续光照500小时后仍保留了90.16%的初始效率，这表明通过应变补偿来减轻相位分离是可行的。

文献参考自Advanced Energy Materials 26th Aug. 2024_ DOI: 10.1002/aenm.202402595

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