半透明钙钛矿太阳能电池（ST-PSCs）由于其可调带隙和高可见光透明度，是构建光伏建筑一体化（BIPV）和叠层太阳能电池（TSC）的理想候选。
郑州大学化学学院张懿强教授联合中科院化学所宋延林研究员和中国建材集团彭寿院士在《Adv. Mater.》期刊发表题为“最大化半透明钙钛矿太阳能电池性能的关键途径：光子传播管理和载流子动力学调控”的长篇综述。聚焦于光子传播管理和载流子动力学调控，系统梳理了最大化ST-PSCs的太阳光利用率（LUE）的关键途径。首先，从光学过程和电子性能的基本理论分析得出ST-PSCs面临的两大关键问题：光学损耗和光生载流子损耗。基于此问题，提出了光子传播管理措施和载流子动力学调控策略。其次，深入探讨了ST-PSCs在BIPV和TSC中的商业应用价值。最后，简要总结了ST-PSCs的主要进展，并展望了ST-PSCs未来商业化的主要研究方向。本篇综述为推动ST-PSCs的快速发展和进一步商业化路径提供了重要思路。图1. TOC图从光子传播和载流子动力学方面系统地理解ST-PSCs的工作原理对于持续优化光电子性能至关重要。因此，首选提供了基本的理论分析，得出两大损耗以及PCE和平均可见光透过率（AVT）之间的权衡。并通过光子在器件中的传输路径分析进一步探讨了主要损耗形式，有助于为降低ST-PSCs的光损耗和光生载流子损耗提供新的思路。图2. a）光损耗和作为桶效应的光生载流子损耗是ST-PSCs面临的两个主要问题。b）ST-PSCs中AVT和PCE之间的权衡。c）ST-PSCs上的光传输路径以及由ST-PSCs中的缺陷引起的辐射复合和非辐射复合的示意图。TE：透明电极。d）反射透射图。I0表示初始光强度，I表示光强度，R表示反射率。e）光生载流子的传输路径示意图，包括吸收、辐射复合和非辐射复合。光子在器件上的传播行为显著影响了器件的光学透明度和对光能的利用。双面进光的半透明光伏器件面临的主要挑战是如何在效率和透明度之间实现最佳平衡。这就需要对光子传播进行管理，本节我们从光子捕获工程、光子反射工程和透明度增加工程三个主要方面综述了目前ST-PSCs的光子传输管理策略。图3. a）上下转换过程的能量示意图。b）Eu络合物的光致发光激发和发射，插图为Eu配合物的光学跃迁能级图，在室内光下呈白色，在紫外线下呈红色，背景为归一化太阳辐照度。c）原始和Eu改性钙钛矿薄膜的UV-vis吸收光谱；插图显示了乌尔巴赫能量。d）双面板LSC-PV工作原理图。e）上转换、下转换和双转换面板的吸光度和PL发射光谱。此外，等离子体纳米颗粒可用于通过等离子体共振机制增强对光的捕获。当光束入射到金属和钙钛矿之间的界面时，金属表面上的自由电子可以被激发，然后以和光子匹配的频率集体振荡。与金属表面上的自由电子耦合的电磁波可以沿着金属表面传播，导致光场增强（图4a，b）。此外，增强的光场可以产生对入射光的强烈吸收，并激发钙钛矿材料中更多的载流子。表面等离子体和入射光之间有三种耦合模式：1）以多次散射为主的光捕获（图4c）；2）由局部表面等离子体共振（LSPR）控制的光捕获（图4d）；和3）等离子体共振能量转移（图4e）。图4 a)和b)为表面等离子体激元现象的示意图。c)多重散射主导光捕获。d)以局部表面等离子体共振为主的光捕获。e)等离子体共振能量转移。f）通过FDTD方法计算的等离子体电场的横向（在PCBM玻璃界面处）和垂直分布。提高透明度的是ST-PSCs面临的关键挑战之一。与不透明光伏组件不同，透明电池所需的透射率取决于实际应用场景，比如，光伏窗口所需的最小AVT为20%-30%。因此，需要通过光学工程和器件架构设计对电极、光活性材料衬底和界面层的透射率进行调整，以满足AVT的要求。在此，梳理了一系列优化ST-PSCs透明度的措施，这些措施对于获得优秀的AVT具有重要意义。图5 a）倒置平面PSC的横截面SEM图像和器件结构。b）雪后带有V2O5光学耦合层的双面PSC的照片。c）带有和不带有顶部电极的电极和装置的透射光谱。d）2D材料夹持1D网络示意图，具有导电性改善，并说明了使用石墨烯和Ag纳米线的顶部电极的自增强碘离子阻挡效应。e）完整n-i-p光伏装置的能带图。在相同金属厚度为11nm的MoOx涂层FTO/玻璃衬底上沉积的金籽Cu的俯视SEM图像和示意图以及不同多层结构的透射光谱。f）ST-PSCs的示意结构，其具有通过直流磁控溅射生长的结晶ITO阳极和通过使用线性FTS共同溅射ITO和IZO靶生长的非晶IZTO阴极。降低钙钛矿厚度以增加ST-PSCs的透明度通常需要高质量的钙钛矿膜以确保更高的PCE。然而，在制备无孔洞的高质量钙钛矿薄膜方面仍然存在重大挑战。因此，提高AVT和保持PCE的另一个有效方法是钙钛矿微结构工程，即着眼于设计微结构以减少钙钛矿覆盖。钙钛矿微结构是指通过各种方法制备的岛状、柱状和网状钙钛矿膜。
图6 a）选择性吸收叠层ST-PSCs设计的原理图器件架构。b）人眼的太阳光谱和光光度函数以及叠层ST-PSCs的透射光谱。c）ST-PSCs的图片：从左到右分别是钙钛矿单结、有机单结和叠层ST-PSCs。 d）具有不同CH3NH3PbI3膜厚度的完整ST-PSCs的透射光谱。 e）显示岛状结构-MAPbI3-xClx-NiO层、MAPbI3-xClx金属氧化物层、电子和空穴传输路径以及相应能带图的器件组件和阻挡特性示意图。f）基于AAO支架的纳米柱PSC结构的示意图和相应的横截面SEM图像。g）以及沉积在7*7 cm2基板上的纳米柱钙钛矿膜的照片，其配置为钙钛矿+AAO/c-TiO2/FTO/玻璃，并在照片中所示的九个点获得紫外-可见吸收光谱。 h） SEM图像显示了直径为1mm的PS微球、固化的TiO2和SiO2蜂窝结构的典型高度有序单层。i）图案化氧化物的制造示意图。j） ST-PSCs的结构和宽网格的光学显微镜图像：孔径大小≈200µm。k）具有不同平均透明度的半透明电池的电流-电压曲线。由于有机-无机杂化钙钛矿材料的窄带隙，在ST-PSCs中实现良好透明度的方法主要涉及减小钙钛矿厚度和制备钙钛矿微结构。然而，这些方法会产生缺陷，从而牺牲JSC和PCE。全无机钙钛矿材料体系是ST-PSCs缓解这些隐患的一种有竞争力的替代方案。首先，全无机钙钛矿CsPbX3（X=Br，I，Cl）的可调谐带隙（1.7 eV~3eV）大于有机-无机杂化钙钛矿（图7 a），是透明光伏的首要候选材料。其次，CsPbX3比有机-无机杂化钙钛矿具有优异的湿热稳定性（图7b）。最后，可以在无反溶剂的情况下制备高质量的钙钛矿薄膜，并显著提高电池的光生载流子调节。其光电转化效率从2015年的2.9%增长到20.8%，并有望达到S-Q极限。因此，选择全无机钙钛矿作为光吸收材料来制备ST-PSCs是非常有前途的。图7 a）混合卤化物合金CsPb(X1−xYx)3（X，Y=I，Br，Cl）带隙的变化通过SQS计算。 b）薄膜老化80天的图像以及基于立方CsPbI3的钙钛矿太阳能电池的水分和热稳定性研究。 c）使用不同策略的CsPbBr3QD膜沉积和固态后处理示意图。d）配位体交换过程示意图、能带示意图以及PSC中的电荷传输过程。随着现代社会的发展，大窗墙比的高层建筑已成为主流，但此类建筑中大部分能量都会通过窗户消散。在建筑自身实施BIPV系统是节约能源成本和实现可持续的解决方案。除了用作建筑窗户外，半透明光伏还可以广泛用于公共汽车、公共汽车站和温室大鹏，如图8。ST-PSCs由于其独特的光电优势是最适合BIPV应用的光伏之一。ST-PSCs可以同时实现极高的效率和透明度，呈现可调的颜色。与硅太阳能电池相比，ST-PSCs可以呈现中性颜色，吸收大部分蓝绿色光并辐射棕色光（如图8 a，从左至右为：基线条件，PSC，a-Si电池）。此外，光致变色智能窗的合理设计以显示其“智能”和“灵活性”是ST-PSCs在BIPV上的另一个有前途的应用。图8. 模拟应用于玻璃的不同技术的外观。b）由Adshel，Inc.（澳大利亚墨尔本）安装的太阳能车窗公交车站和公交车。c）透明太阳能电池在办公楼中的应用。透明窗口模式（左）允许阳光完全透射，而太阳能电池模式（右）阻挡用于发电的部分外部辐射，同时防止过热。d）当代城市发展。哥本哈根Kampmansgade办事处。高度/宽度比0.8。e）顶层建筑屋顶太阳能电池。f）基于半透明PSC的温室屋顶示意图。理论计算表明，在1个标准太阳辐照度下，带隙为1.34 eV的单结PSC的S-Q极限效率为33.7%，而双结和三结太阳能电池的理论PCE分别为46%和50%，如图9b。TSC补偿了宽带隙电池引起的光吸收损失，从而提高整个电池的光利用率，如图9a，c。考虑到钙钛矿的带隙可以通过组成工程调整在1.17至2.24eV的范围内，PSC被认为是用于多结器件的最有前途的顶部电池。钙钛矿/硅、钙钛矿/CIGS、钙钛矿/钙钛矿和钙钛矿/聚合物多结电池已成为有前途的光伏技术，为商业化提供了可行的途径。近红外（NIR）透明的ST-PSCs可以作为串联配置的顶部电池与已建立的光伏技术（如c-Si和CIGS）结合，实现具有最小附加成本的高效率装置。因此，当ST-PSCs应用于TSC时，需要保持一定的NIR透明度。得益于NIR透明ST-PSCs的成功，自2015年首次实现基于PSC的TSC以来，由具有Si、PSC和CIGS的ST-PSCs组成的TSC取得了显著而快速的进展。图9 a）单片集成串联装置示意图。b）基于S-Q理论的单结太阳能电池理论PCE。c） TSC的吸收光谱。d） TSC的理论PCE。e）串联Si/钙钛矿太阳能电池的示意图。f）概述了两个终端钙钛矿/CIGS太阳能模块架构及其电气连接的示意布局。g） 2T串联电池结构示意图。重点从光子传播管理和载流子动力学调节方面最大化ST-PSCs的LUE深入综述了ST-PSCs的最新进展。光子传播管理旨在解决光损耗问题，当前研究主要集中在三点：增强光吸收、减少光反射，增加透过率。载流子动力学调控主要在解决光生载流子损耗带来的VOC损失，包括钙钛矿体相的载流子输运调控、器件界面处的载流子提取、无机钙钛矿中的载流子重组抑制。自2014年首次出现ST-PSCs以来，经过八年的发展，LUE从0.56%增至6.17%（图10a、b、c）。相信在不久的将来，通过学术界和工业界的协同努力，一定可以尽快实现ST-PSCs的真正商业化。图10. a）ST-PSCs的效率发展图。b） ST-PSCs的PCE与AVT关系图。c） LUE与AVT的关系图。d）相关突破性工作的图形摘要，报告了每年的最大PCE。化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：chem@chemshow.cn
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