中科院化學所宋延林&李明珠&浙江大學沙威團隊Adv. Mater.：彩色的高效莫爾鈣鈦礦太陽能電池

【引言】

有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）由于具有大吸收系數、長載流子擴散長度、較少晶界和缺陷的大晶粒尺寸等優良的光電特性，以及與硅太陽能電池相比生產成本低等特點，可發展成為性能優越的薄膜光伏器件。最近，PSCs的功率轉換效率（PCE）已提高到認證效率的25.5%。在開發更輕、更薄、更高效的PSCs的同時，為了將來的量產，人們還在減少材料用量（尤其是減少鉛的用量）和生產成本方面做了許多努力。雖然鈣鈦礦是一種優良的光電材料，但其PCE仍低于其理論極限值。特別是有35%的光損失，包括14%被導電基板（FTO、ITO）吸收，4%被玻璃基板表面反射，2%在功能層（電子傳輸層、空穴傳輸層和電極層）損失，15%從PSCs逸出。有效的光子管理有望通過構筑捕光納米結構將光富集到吸收層，并延長光路，從而增加光載流子的數量，使光電流和PCE得到提升，并有望實現低成本的高效薄型PSCs。

【成果簡介】

近日，在中國科學院化學研究所宋延林研究員和李明珠研究員、浙江大學沙威教授（共同通訊作者）團隊等人帶領下，汪洋博士?等通過壓印方法，借助商用DVD光盤，設計并制造出具有莫爾干涉結構的彩色高效莫爾PSCs。從實驗和理論證明，通過改變旋轉角度（0°–90°），可以有效地控制莫爾干涉結構的光富集能力。增強的短路電流歸因于增加了光衍射通道，延長入射光光路，并將入射光富集到鈣鈦礦層中。此外，壓印過程抑制了活性層界面的缺陷和空洞，消除了滯后。莫爾PSCs具有優化的30°旋轉角度，可實現最佳的光收集增強效果（比原始高28.5％），使效率超過20.17％（MAPbI₃）和21.76％（(FAPbI₃)_1‐x?(MAPbBr₃)_x）。該成果以題為“Colorful Efficient Moiré-Perovskite Solar Cells”發表在了Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1 商用DVD光盤壓印摩爾PSCs的示意圖

a）具有有效光吸收的PSCs的示意圖。因缺乏有效的光捕獲結構, 大量的光在鈣鈦礦光電器件中被浪費。

b）具有雙衍射光柵的PSCs的示意圖。

c）莫爾PSCs具有不同相交角度，以提高光收集效率。

d）周期≈0.75μm，寬度≈0.25μm，高度≈0.1μm的PVK光柵結構鈣鈦礦薄膜的AFM圖像。

e，f）使用雙衍射光柵的莫爾鈣鈦礦薄膜的光束圖像，在532nm處觀察到衍射（e：側視圖，f：正視圖）。它有三組衍射光束和衍射點。

圖2 莫爾鈣鈦礦薄膜的光學表征

a）兩個周期性結構相互干擾造成的莫爾圖像。

b）通過將兩個衍射光柵從0°旋轉到90°來制備莫爾PSCs。莫爾周期取決于兩個光柵之間的旋轉角度。

c）莫爾周期與旋轉角度的相圖（從0°到90°）和莫爾圖案形成的示意圖（插圖（c））。莫爾周期隨著旋轉角的增加而減小。

d）莫爾衍射的旋轉角度與入射波長的關系圖。從5°到55°的旋轉角度確保莫爾光衍射覆蓋寬的入射波長（400-800 nm）。

e）計算了兩個入射波長（500和700 nm）下，從0°到70°的光吸收與旋轉角度的關系。

f）測量莫爾鈣鈦礦薄膜的反射率和LHE。莫爾鈣鈦礦薄膜提高了長波長范圍（λ> 700 nm）的光捕獲效率和光捕獲能力。?

g）相對于非偏振入射光束（532 nm）的光功率（dB），在30°旋轉角下進入莫爾PSC。

h）考慮到PSCs的反射損耗、EQE、Yablonovitch 4n²極限和4n²極限。由于莫爾衍射光柵耦合效應提高LHE，在長波長（λ> 700 nm）范圍內，莫爾PSCs的EQE得到了增強。

圖3 采用不同光捕獲結構的PSCs光吸收的3D FDTD模擬

光柵周期是750nm。波長為500、600、700和750 nm的xz面電磁能量密度的空間分布：a）參照樣參照樣，b）D-TiO₂，c）D-鈣鈦礦，d）莫爾鈣鈦礦薄膜。莫爾鈣鈦礦薄膜的詳細參數包括在25 nm致密TiO₂層，?180 nm的介孔TiO₂。在meso-TiO₂/PVK界面處有深度80 nm的光柵，?330 nm的PVK。?Spiro-OMeTAD厚度為300 nm的波紋，包括PVK/Spiro界面的光柵深度100 nm。與其他樣品（原始、D-TiO₂、D-鈣鈦礦薄膜）相比，莫爾鈣鈦礦薄膜獲得了最強的吸收，這是由于莫爾衍射光柵的耦合效應所致。

圖4 莫爾鈣鈦礦太陽能電池的光電性能

a）彩色PSCs的視覺效果。

b）莫爾PSCs與MAPbI₃和(FAPbI₃)_1‐x(MAPbBr₃)_x鈣鈦礦活性層的的J-V特性。對于MAPbI₃，莫爾PSCs的PCE（20.17％）高于參照樣（17.42％）。對于(FAPbI₃)_1‐x(MAPbBr₃)_x，莫爾PSCs的PCE（21.76％）高于參照樣（19.11％）。

c）PSCs的J-V磁滯。莫爾PSCs顯示出可忽略的光電流滯后。

d，e）利用MAPbI₃對PSCs的J-V特性進行實驗測量和理論擬合。

f）PSCs的V_oc與光強度的關系。

g，h）在光強度為100 mW cm^-2的480?nm和650?nm照射下，PSCs的J-V磁滯測量。

i）最大輸出功率點的電流密度和相應的PCE。

【小結】

綜上所述，通過在電子傳輸層和鈣鈦礦活性層上壓印衍射光柵結構，構建了莫爾干涉結構作為PSCs的空間光調制器。重要的是，團隊提出了雙光柵形成的莫爾干涉結構，通過將旋轉角度從0到90°，靈活地控制光的采集。與單一和獨立的光學結構相比，莫爾干涉結構提供了更多的衍射通道，從而增加了光程長度，增強了鈣鈦礦活性層的光吸收。因此，實現了兩個莫爾PSCs，MAPbI₃效率最高為20.17%，(FAPbI₃)_1‐x(MAPbBr₃)_x效率最高為21.76%。結果表明莫爾干涉結構是一種很有前途的光管理策略，可以在不降低光電性能的情況下制造高性能光伏器件和光電探測器，尤其是鈣鈦礦/硅串聯PSCs的潛在應用。基于商業DVD模板的壓印方法，使得各種光電轉換器件的制造簡單、成本低、可擴展。該方法實用性強，易于推廣用于制造高效率、低成本和大面積PSCs，為下一代高效光伏開辟了新的途徑。

文獻鏈接：Colorful Efficient Moiré-Perovskite Solar Cells（Adv. Mater.，2021，DOI:10.1002/adma.202008091）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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