【能源】高效率棱形分光钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池是一种非常有前景的光伏技术。经过近几年的快速发展，单层异质结钙钛矿器件也已经达到了23%的光电转换效率。由于单异质结电池存在吸收光谱范围窄和热力学能量损失的问题（光子能量E=ħω与钙钛矿带隙Eg 失配造成器件存在较大的能量损失Eloss=E-qVoc），由此限制了器件性能的进一步提高。虽然已报道的钙钛矿电池通过与硅电池制备叠层器件，可以使得能量转换效率明显增长，然而全钙钛矿的叠层电池具有更低的制造成本。目前，由于全钙钛矿叠层电池受限于复杂的器件制备工艺，其器件效率未能取得较大的进展。

最近，电子科技大学光电科学与工程学院、电子薄膜与集成器件国家重点实验室的于军胜教授团队与浙江大学的李昌治教授团队合作，在国际权威期刊Energy & Environmental Science上发表了题为Highly efficient prismatic perovskite solar cells 的研究论文，同时由于创新性突出被选为期刊的后封面（Back Cover）（图1），论文的第一作者是电子科技大学“百人计划”的入选者黄江研究员。该工作受到国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家青年千人计划、四川省科技厅、电子科技大学“百人计划”等的资助。

图1. 当期EES的后封面

该论文提出了一种具有超高光伏电压Voc和低能量损失Eloss的新型棱形分光钙钛矿太阳能电池器件结构（prismatic perovskite solar cells），该器件由具有不同带隙的子电池串联而成，四个子电池的活性层组分为MAPbIXBr3-X（X=3、2、1和0），通过四源共蒸的方法真空蒸镀而成，并列于同一平面，富勒烯材料ICBA和PCBM作为电子传输层，四个子电池通过金属铝电极串联连接，其器件结构如图2所示。

图2. 棱形钙钛矿电池器件结构示意图和制备流程图

该器件实现了具有不同能量的光子依次被四个子电池收集，有效地减少了总电池的热力学损失。通过调制入射光路径，特定的高能到低能光子被不同带隙的活性层MAPbIXBr3-X（X=3、2、1和0）组成的子电池分别吸收，有效地降低了高能光子的热力学损耗。通过详细的光学工程研究，他们优化了活性层的厚度，匹配了子电池的光电流，从而有效地避免了串联结构中的电流损失。四个子电池在串联器件中产生了5.3 V的高光伏电压Voc，并使光电转换效率从传统MAPbI3器件的18%提高到21.3%，光伏性能如图3和表1所示。

图3. 器件光伏性能图和能量损失图

综上所述，棱形分光钙钛矿电池结构不仅能够有效地降低器件的热力学损失，增强了全钙钛矿太阳能电池的光电转换效率，而且是迄今为止报道的Voc性能最高的钙钛矿太阳能电池。该工作为突破全钙钛矿太阳能电池光电转换效率的瓶颈提供了新的途径。

该论文作者为：Jiang Huang, Siheng Xiang, Junsheng Yu and Chang-Zhi Li