基于透明银电极的全无机钙钛矿半透明太阳电池性能研究

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半透明太阳电池在建筑物集成光伏、发电车窗、农业温室、可穿戴电子设备、叠层电池组件等领域中具有广阔的应用前景,因而受到越来越多的研究与关注,而实现高性能半透明太阳电池的关键在于可见光范围内如何保持吸光和透光的平衡。全无机金属卤化物钙钛矿材料凭借光吸收系数高、带隙大范围可调、环境稳定性好、载流子迁移率高、可溶液制备等众多优势,虽然能量转换效率偏低,但却为半透明太阳电池的发展和应用提供了新的机遇。本论文工作基于全无机宽带隙Cs Pb IxBr3-x(x=0,1)钙钛矿吸光材料和金属银透明电极,开展了半透明全无机钙钛矿太阳电池性能提升研究与应用探索。主要内容与成果如下:1.基于半透明钙钛矿太阳电池顶部透明电极需求,系统研究了超薄银膜透明电极的光学和电学性质及其对半透明钙钛矿电池性能的影响,优化的银电极厚度为11nm,并通过引入高折射率氧化物(Te O2/Mo O3)减反层,实现了350-600nm范围内平均透光率超过60%,峰值透光率达80%的银透明电极,能够满足半透明Cs Pb IBr2、Cs Pb Br3太阳电池的透明电极需求。2.针对传统一步溶液法Cs Pb IBr2太阳电池开路电压低、填充因子低的限制,提出了通过在Cs Pb IBr2薄膜上旋涂金刚石纳米颗粒的界面钝化策略,实验发现金刚石颗粒趋于分布在Cs Pb IBr2晶界处及表面针孔中,能够抑制载流子复合,促进电荷传输,最终获得了开路电压1.30V、填充因子大于60%、转换效率达9.07%的碳基Cs Pb IBr2太阳电池,且存放50天后仍可保持86%的初始效率。3.针对传统多步溶液法制备的Cs Pb Br3太阳电池转换效率低、工艺繁杂的不足,探索了基于水溶液的两步法Cs Pb Br3成膜工艺,利用甲醇/异丙醇添加剂、氯离子掺杂等优化策略,不仅显著提升了钙钛矿结晶质量,获得了平整、光滑的微米级Cs Pb Br3薄膜,而且大大简化了Cs Pb Br3薄膜制作工艺,首次实现了填充因子超过85%、能量转换效率达到10.37%的碳基Cs Pb Br3太阳电池,且存放50天后仍可保持85%的初始效率。4.基于银透明电极成功制备了全无机半透明Cs Pb IBr2、Cs Pb Br3太阳电池,分别获得了8.46%、7.88%的转换效率,进一步作为顶电池与商用Si、Ga As太阳电池构筑了四端叠层电池,实现了太阳光谱的分段利用,提升了电池效率。特别地,对于传统钙钛矿/Si叠层电池中Si底电池的效率损失过半的不足,本文叠层电池中Si底电池分别保留了65.1%和68.7%的初始效率,为高效宽带隙钙钛矿/Si叠层电池的发展提供了新的思路。
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