再创记录！黄劲松教授第9篇Nature Energy！

研究表明，双面钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性仍然相对较低。美国北卡罗来纳大学黄劲松团队报告了一种具有与不透明的单面同模相似的双面微型模块，同时能够从反照光中获得额外的能量。

结果显示，在空穴传输层中添加疏水添加剂，能够保护钙钛矿薄膜不受潮。同时，将具有适当尺寸和间距的二氧化硅纳米颗粒整合到钙钛矿薄膜中，以恢复因没有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次太阳光照和0.2反照率下的发电密度为26.4 mW cm^-2，双面微型组件的正面效率超过20%，双面效率为74.3%，因此在反照率为0.2的情况下发电密度超过23 mW cm^-2。即使在60±5℃下浸泡6000小时后，双面微型模块保持了97%的初始温度。

相关文章以“Design optimization of bifacial perovskite minimodules for improved efficiency and stability”为题发表在Nature Energy上，这也是黄劲松教授发表的第九篇Nature Energy。

再创记录！黄劲松教授第9篇Nature Energy！

研究背景

在过去几年中，小面积钙钛矿太阳能电池（PSCs）的认证功率转换效率（PCEs）迅速增加到25%以上，与市场主导的硅太阳能电池相当，但尺寸仍然小得多（<1cm）。

同时，通过钙钛矿、界面和电极的组成和加工工程，小面积PSC也证明了其稳定性的快速提高。然而，必须将小面积实验室规模的PSC转移到大面积模块中，同时保持其高效率和良好的稳定性，以实现该技术的商业化。

最近的一些努力致力于通过填补碘化物空缺来抑制碘化物迁移来提高钙钛矿微型模块的效率和稳定性，但钙钛矿微型组件的最高稳定效率仍远远落后于小型电池。此外，钙钛矿微型模块的稳定性很少被报道，特别是关于钙钛矿模块特有的其他降解途径。

双面结构已被证明可以通过从背面收集反射和漫射的阳光来提高硅太阳能组件的能量产量，硅双面组件的市场份额近年来迅速上升。

由此提出的反照率由地表反射的太阳光比定义，该比率决定了额外辐射量和双面组件的提升。许多地理位置的平均反照率记录为0.2或更高，双面硅组件的户外性能测试表明，根据反照率和安装条件，功率输出比单面组件高5%至30%以上。

然而，关于双面钙钛矿电池和模块的研究很少，它们的效率远远落后于单面电池和模块。要实现高效和大面积的双面钙钛矿太阳能组件，需要解决关键挑战，例如后半透明电极的电阻损耗增加，以及由于双面器件结构中没有反射金属电极而导致长波长光吸收不足。

图文详解

模块结构及后电极

双面组件的后电极需要不同的设计，以实现与金属电极相当的低电阻损耗。双面钙钛矿模块结构如图1a所示，其采用p-i-n钙钛矿太阳能电池结构，图1b从背面显示了钙钛矿双面模块的照片。

双面钙钛矿模块中PTAA和C60作为空穴和电子传输层（分别为HTL和ETL），本文研究的钙钛矿含有MA_0.7FA_0.3PbI₃或FA_0.92Cs_0.08PbI₃，CsI略过量。在各种透明电极材料中，溅射沉积的透明氧化物，如氧化铟锡（ITO），由于其工业加工性，仍然是最佳选择之一。为了避免溅射损坏下层，紧凑型SnO₂通过原子层沉积（ALD）生长的层用作缓冲层。

在后ITO电极上应用银网格是降低电阻损耗的有效方法，但需要合理的设计来平衡电阻损耗和银栅的阴影效应，从而降低双面增益。

如图1c所示，作者使用最大双面增益作为参考，钙钛矿带隙为1.53 eV，计算了最佳Ag网格间距。当Ag网格的宽度和高度固定在0.2 mm和500 nm时，这是使用阴影掩模通过热蒸发可以制成的最窄网格。

建模表明，在加入间距为~2 mm的Ag网格后，后电极电阻引起的相对PCE损耗从8.6%降低到<0.9%，同时FF从0.70增加到0.77。与单面组件相比，双面钙钛矿模块的功率输出增加了15%，反照率为0.2。

图1. 双面钙钛矿模块结构及效率模拟

图2. HTL中的疏水添加剂

图3. 通过嵌入式SiO₂NPs增强吸收和光电流

图4. 双面钙钛矿太阳能电池和微型组件的光伏性能

总之，本文已经展示了钙钛矿双面微型组件的设计和开发，其正面效率可与最好的单面组件相媲美，电极设计实现了电导率和双面增益的良好平衡。

双面微型组件的前后效率分别为20.2%和15.0%（经认证的稳定前效率为19.2%，后效率为14.1%），孔径面积超过20 cm²，在1次太阳光照和0.2反照率下的发电密度为26.4 mW cm^-2，远远高于经认证的最佳单面模块。

更加重要的是，双面微型模块在模拟的1个太阳光照下浸泡6000小时后保留了97%的初始PCE。

文献信息

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

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