ACE揭秘双面钙钛矿太阳能电池：顶部或底部照射，哪个效率更高

前言

双面钙钛矿太阳能电池 (Bi-PSCs) 因其可双面吸光提高光利用效率而备受关注。真空沉积法制备的 Bi-PSCs 尽管具有高质量薄膜的优势，但仍需优化透明电极和界面层以光电流收集，并平衡顶部和底部照射条件下的性能差异。

西班牙巴伦西亚大学 Henk J. Bolink 团队在 2024 年发表于《ACS Energy Letters》(27st Aug.2024_ DOI： 10.1021/acsenergylett.4c01536)的研究中，利用真空沉积技术制备了高效稳定的双面钙钛矿太阳能电池 (Bi-PSCs)。通过优化 ITO 和 LiF 层厚度及封装方法，显着提升了 Bi-PSCs 的 Jsc 和 PCE。研究发现，顶部照射下可获得更高的 Jsc (最高达 24.98 mA/cm2)，突显了该器件结构的优势。此外，该研究还探讨了 Bi-PSCs 的热稳定性及封装的影响。

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

本研究旨在通过优化双面钙钛矿太阳能电池 (Bi-PSCs) 的结构和制备工艺，实现其性能，特别是提高短路电流密度 (Jsc) 和功率转换效率 (PCE)。具体研究目标包括：

1. 确定 LiF 和 ITO 层的最佳厚度，以减少反射损失并增强光吸收效率，从而提高器件性能。

2. 比较顶部和底部电极在光线收集效率方面的差异，确定更有效利用光照的电极结构。

3. 研究封装对 Bi-PSCs 性能的影响，特别是分析其在顶部和底部照射条件下的性能差异。

4. 通过热稳定性测试，评估 Bi-PSCs 在长期工作条件下的稳定性和耐久性，为实际应用提供参考。

5. 最终，本研究将展示热蒸发方法在制备微米级钙钛矿薄膜和高性能 Bi-PSCs 方面的有效性。

研究方法

1. 化学物质的采购： 研究所需化学物质包括 CS-9、TaTm、FAMAPI（由 PbI2、MAI 和 FAI 共蒸镀而成）、C60、BCP 等。

2. 双面真空沉积 Bi-PSCs 的制造： Bi-PSCs 的结构为 LiF/玻璃/底 ITO/CS-9/TaTm/FAMAPI/C60/BCP/ITO/Ag，其中 FAMAPI 层通过 PbI2、MAI 和 FAI 的共蒸镀制备，并使用 QCM 传感器监控和手动调整蒸发速率。顶部 ITO 电极则采用脉冲激光沉积方法制备，以确保在电池堆叠上的柔和沉积。

器件与表征

器件制备：

• 真空沉积技术： 利用真空沉积技术制备 Bi-PSCs，并采用热蒸发方法沉积钙钛矿薄膜，精确控制薄膜厚度。

• 脉冲激光沉积 (PLD)： 使用 PLD 方法沉积顶部 ITO 电极，以减少对器件的损伤。

• 材料选择： 选用甲胺镁铅碘（FAMAPI）作为钙钛矿材料，因其具有较高的热稳定性和吸收范围。

• 封装： 使用商业 UV 固化环氧树脂封装剂进行封装，以保护器件免受环境影响。

表征方法：

• 结构表征：使用 X 射线衍射（XRD）分析 FAMAPI 层的晶体结构。

• 电性能表征：使用太阳能电池测试系统记录 J-V 曲线，并使用太阳光模拟器进行照明。采用 Enlitech 的 QE-R 系统进行 EQE 测量，并校准太阳光谱失配。
       
       
       图4说明：(a) Bi-PSC装置结构示意图：显示了在使用盖玻璃封装后的装置结构，包括各层材料及其厚度。(b) J-V曲线：显示了在正向（实线）和反向（虚线）扫描下，裸露Bi-PSC在顶部和底部照射条件下的电流密度-电压特性，以及在盖玻璃封装后的情况。(c) EQE光谱：对应于不同装置的外部量子效率光谱，显示了在不同波长下的光电转换效率。(d) Jsc值的统计图：显示了不同装置的短路电流密度（Jsc）值的统计数据，黑色实线表示各子集的平均值。

为评估真空沉积器件的热稳定性，超级基底 PSCs 和 Bi-PSCs 在 85°C 氮气气氛下进行了 600 小时热压力测试。结果表明，两种器件均保持了 80% 以上的初始效率。值得注意的是，Bi-PSCs 的 Jsc 在测试期间持续增加，而超级基底器件的 Jsc 则呈下降趋势。两种器件的 FF 均有所下降，与之前报道的真空沉积 PSCs 的结果一致。

• 光学表征和模拟：使用分光计测量吸收和透射光谱，并使用 Enlitech 的 QE-R 系统进行反射率测量。采用基于转移矩阵方法的吸收率和 1-R 模拟，通过自建代码和 tmm 包执行。

  
       
       
       图 1d 对比了 Bi-PSC 在顶部和底部照射下的反射率损失，表明顶部照射在 480-780 nm 范围内具有更低的反射率，从而带来更高的 FAMAPI 层光吸收率。模拟结果显示，顶部照射下的最高模拟 Jsc 比底部照射高约 1 mA/cm2，因此 Bi-PSC 在顶部照射下有望获得更高的 Jsc。
       
       在进行反射率测量之前需要校准系统，对太阳光谱不匹配进行修正。使用校准的硅参考电池来确保测量结果的准确性。这些步骤对于获得准确的反射率值非常重要，从而评估太阳能电池的光学性能和光电转换效率。Enlitech的QE-R系统在太阳能电池的研究和开发中扮演着关键角色，提供了必要的光学参数测量。

• 热稳定性测试：在热板上对 Bi-PSCs 进行热压力测试，以评估其长期稳定性和耐久性，并记录其在 85℃ 下的性能稳定性。

• 形貌表征：使用扫描电子显微镜（SEM）观察薄膜的表面形态和截面结构。

结论

1. 展示通过真空沉积技术制备的双面钙钛矿太阳能电池（Bi-PSCs），这些电池具有优化的钙钛矿层厚度，特别是使用甲胺镁铅碘（FAMAPI）组成。

2. 在顶部照射条件下，Bi-PSCs的短路电流密度（Jsc）高于底部照射条件，且最佳Bi-PSC在顶部照射条件下的功率转换效率（PCE）达到了19.6%，在底部照射条件下为18.71%，这导致了约0.95的双面性因子。

   
        
        

3. 通过使用模拟1-Sun光作为主要照射和白色LED光作为反射（后方）照射的双面照射条件下，Bi-PSC展示了不同的Jsc值，这取决于反射光的强度。

4. 即使在顶部电极上封装了盖玻璃，Bi-PSC在顶部照射条件下的Jsc仍然高于底部照射。

5. 热稳定性测试显示，Bi-PSCs和超级基底太阳能电池（superstrate PSCs）在85℃的热板上持续超过600小时后，仍能保持超过80%的初始PCE。

6. 研究发现，在热压力测试下，Bi-PSCs和superstrate PSCs中的PbI2相的量会增加，这可能影响到太阳能电池的稳定性和性能。

这项研究展示了热蒸发方法在制备微米级钙钛矿薄膜，用于双面钙钛矿太阳能电池（Bi-PSCs）应用方面的有效性，以及顶部电极在主要AM 1.5 G单面照射条件下产生非常高的短路电流密度（Jsc）值方面的显着效果。

文献参考自ACS Energy Letters 27st Aug.2024_ DOI： 10.1021/acsenergylett.4c01536

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