Sargent等：25%效率！双面光照实现叠层器件的实景应用

第一作者：Michele De Bastiani, Alessandro J. Mirabelli, Yi Hou

通讯作者：Stefaan De Wolf，Edward H. Sargent

通讯单位：阿卜杜拉国王科技大学，多伦多大学

双面单片集成的钙钛矿/硅串联太阳能电池利用反射率（来自环境的漫反射光）来提高其性能，使其高于单面钙钛矿/硅双极。阿卜杜拉国王科技大学Stefaan De Wolf和多伦多大学Edward H. Sargent报道了在单面AM 1.5G标准太阳光照射下，认证效率超过25%的双面叠层钙钛矿/硅串联太阳能电池，在户外测试中，发电密度高达26 mW cm^-2。随后，研究人员比较了不同反射率下这些双面串联器件的特性，并计算了两个不同地点环境条件下的能量产量。最后，他们比较了单面和双面钙钛矿/硅串联的户外测试场景，以证明在实际反射率的位置上，串联双面器件具有附加价值。相关结果以“Efficient bifacial monolithic perovskite/silicon tandem solar cells via bandgap engineering”为题，发表在Nature Energy上。

【研究内容】

钙钛矿/硅双面串联

在户外，照射到太阳能电池板背面的太阳光主要来源于三种：反射于地面和周围环境的直射和漫射阳光，以及分散在大气中漫射阳光（图1a）。为了了解反射率对双面钙钛矿/c-S双面薄膜器件性能的影响，研究人员开发了具有不同带隙的钙钛矿器件。该串联布局是由双面纹理的硅异质结SHJ底电池和通过溶液法制备的p-i-n钙钛矿顶电池构成，对应的器件示意图和截面SEM如图1b-c所示。为了增加双面性，对SHJ后触点进行了优化，以将最小的串联电阻和最大的反射率耦合到c-Si电池中（图1d）。通过改变I/Br的比例，研究人员系统制备了五种不同带隙的钙钛矿/c-Si叠层器件。钙钛矿带隙越宽，叠层器件的开路电压（V_OC）越大。叠层器件的短路电流密度J_SC在钙钛矿带隙为1.68 eV时达到最大值，实现了叠层器件子电池之间的最佳电流匹配，对应的叠层器件在标准测试条件下获得25.2%的认证效率（图1e）。 

图1 钙钛矿/硅双面叠层器件

图1f比较了封装前（棕色）和双面装置照射的封装后（暗红色）双面叠层器件的J-V曲线。对于后者，J_SC的降低是由玻璃封装和不同前置太阳光模拟器造成的。相比于单面运行的器件（蓝色），双面叠层器件的电流略微降低。但在20 mW cm^-2背光照射下（橘色），双面叠层器件的J_SC明显超过单面器件。随着背面辐照强度的增加（0-95 mW cm^-2），双面叠层器件的J_SC会显著增加，在20 mW cm^-2时达到平稳值；而V_OC只有大约30 mV的略微上升；FF先降低后逐渐回升；最大发电密度（PGD）可达28 mW cm^-2(图1g)。为了验证该发现，作者对比了29个双面叠层器件在有无30 mW cm^-2背部辐照后的PGD增强情况（图1h）。在没有反射率下，该设备获得21.5 mW cm^–2的平均PGD。相反，在背部辐照度为30 mW cm^-2时，整个PGD会增加，平均功率会变为25.5 mW cm ^-2，增加19％的绝对发电量。

光学吸收

为了进一步了解双面叠层器件的电流匹配条件，作者采集了不同钙钛矿带隙器件的EQE光谱(图2a)。对应的积分电流密度变化趋势与图1e的J_SC趋势一致。为了可视化钙钛矿带隙对双面叠层器件的J_SC影响，图2b比较了EQE积分电流（实心圆）和J-V测试电流（空心圆）。1.7 eV带隙的双面叠层器件几乎没有得到电流增益。对于较小的带隙，由于c-Si电池的限流影响，EQE表现出明显的电流失配。尽管这在单面器件中，这是不利的，但只要背部辐照强度足够大，即可在双面器件中获得最高的电流增益。 

图2 光学分析

为了进一步分析光学效应导致的损耗机制，作者对钙钛矿带隙为1.68 ev的叠层器件进行了前、后吸收的光学仿真（图2c-d）。IZO和C₆₀顶层在紫外线下会引起大量的寄生吸收。此外，IZO层还由于在800至1100 nm之间的自由载流子吸收而引起损耗，在该范围内c-Si底部具有高量子效率，因此显著影响电流输出。总体而言，在AM1.5G阳光照射下，寄生吸收和反射损耗分别转换为4.6 mA cm^–2和3.1 mA cm ^–2的J_SC损耗。红外光传输导致J_SC的另一个0.9 mA cm^–2损耗。

户外性能

为了测试该技术的潜力，作者在混凝土、人造草皮和白色背景三种不同反射率条件下比较了单面和双面串联器件的室外性能。在每种反射率条件下，双面串联器件均优于其单面器件。当将混凝土用作地面时，性能的提升尤为显著，双面串联器件实现了25.9 mW cm^-2的PGD 。功率输出的增加主要归因于在双面器件中产生的较高电流。总体而言，混凝土的双面功率输出平均增长为20％，白色背景为6％，人造草为4.3％（图3a）。 

图3 双面串联器件的室外测试

随后，研究人员在两个测试场地比较了单面和双面器件：吉达（Jeddah）代表炎热和晴朗的环境，卡尔斯鲁厄（Karlsruhe）代表典型的中度气候。图3b为在调查的五天中，以十分钟为间隔测量的从黎明（0:00）到黄昏（18:00）的双面器件的PGD。在两个站点中，双面器件性能均明显优于单面的，尤其是在中午，当光强度接近100 mW cm^–2（吉达）或80 mW cm^–2时（卡尔斯鲁厄）。此外，卡尔斯鲁厄数据还表明，PGD的增强在晴天（第1天和第2天）更为明显。

在图4a-b中，研究人员在吉达测试场地收集了5天的数据。单面串联器件的J_sc趋势是线性的，而双面串联器件的电流随太阳辐照度表现出一些滞后现象，在上午（从06:00到12:00）具有次线性行为，在下午（从12:00到18:00）呈线性变化。最后，研究人员进行了能量收益模拟，以评估在现实的室外条件下双面器件的性能（图4c）。 

图4 测试场景的分析和产能

De Bastiani, M., Mirabelli, A.J., Hou, Y. et al. Efficient bifacial monolithic perovskite/silicon tandem solar cells via bandgap engineering. Nat Energy (2021). DOI:10.1038/s41560-020-00756-8