西电微电子学院钙钛矿太阳能电池研究实现新突破
双面(bifacial)光伏电池是一种正面和反面都可以接受光照而产生电流、电压的器件。在同等面积下，双面电池单位面积发电量比单面电池有了极大的提升，平均高出10%-35%左右，已经成为一种降本增效的新兴高效光伏发电技术。近年来，凭借吸光系数高、载流子寿命长、电荷迁移率高等优异性能，基于有机金属卤化物半导体吸光材料的钙钛矿太阳能电池一直广受关注。
突破钙钛矿太阳能电池的顶电极材料是最为关键的，这是因为顶电极材料同时要求具有良好的透光性与导电性。郝跃院士指出“金属薄膜电极因具有电导率高、工艺成熟、机械柔性好、适合大面积制备的特点，是极具潜力的透明电极材料。然而，金属薄膜在可见光和近红外区域的相对较差的透光率限制了其直接应用。”为此，团队在钙钛矿电池中引入了一种新型的TeO2/Ag光场调节电极结构，通过在超薄Ag(11 nm)顶电极上增加了一层TeO2(40 nm)光学耦合层，显著改善了电极的透光性，大幅提升了光电流密度；同时使用PEAI界面修饰，实现了开路电压和填充因子的有效提升，使大面积钙钛矿太阳能电池也表现出了优异的光电性能和稳定的工艺重复性。 (a)双面钙钛矿太阳能电池JV特性；(b)不同透明电极的透光率比较；(c)双面钙钛矿太阳能电池效率统计，插图为TeO2/Ag电极实物照片；(d)理论计算的双面钙钛矿太阳能电池JV特性；(e)、(f)分别为不同照射方向下的稳态输出特性。
(a)双面钙钛矿太阳能电池JV特性；(b)不同透明电极的透光率比较；(c)双面钙钛矿太阳能电池效率统计，插图为TeO2/Ag电极实物照片；(d)理论计算的双面钙钛矿太阳能电池JV特性；(e)、(f)分别为不同照射方向下的稳态输出特性。
这项研究工作实现了效率超过20%的双面钙钛矿太阳能电池，是对双面光伏发电技术的成功探索，也为高效钙钛矿太阳能电池的进一步发展与应用发展奠定了基础。另外，团队在近一年内先后在Advanced Energy Materials（IF：21.49），Nano Energy （IF：15.46）, Journal of Materials Chemistry A（IF：10.66），ACS Applied Materials & Interfaces（IF：8.69），Solar RRL等重要期刊上发表了多篇论文。微电子学院张春福教授评述说：“进一步理论计算表明，采用TeO2/Ag透明顶电极的钙钛矿太阳能电池在AM1.5G下可以分别获得22.65%和22.53%的双面转换效率，双面因子达到99%，这充分展示了双面钙钛矿太阳能电池的发展潜力，也为下一步研究指明了方向。”