近日，来自葡萄牙里斯本新大学的研究人员针对PSCs面临的技术难点和挑战，采取了一系列创新研究，通过引入先进的光子结构和发光下转换材料，提高了钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性。不仅增强了电池对紫外线的防护能力，还通过优化光捕获机制，提升了电池的整体性能，为太阳能电池技术的商业化和长期应用提供了坚实的基础。该成果发表在国际顶尖光学期刊《Light: Science & Applications》，题为"Photon shifting and trapping in perovskite solar cells for improved efficiency and stability"。Sirazul Haque为论文第一作者，同时和Manuel J. Mendes教授为论文的共同通讯作者。
钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其卓越的光电特性和成本效益成为太阳能技术研究的热点，其功率转换效率（PCE）在过去12年中取得了显著提升，可以与当前商业化的硅基太阳能电池相媲美。PSCs在电动汽车、建筑一体化光伏、便携式电子设备和物联网等消费导向型太阳能应用系统中具有占领低成本市场的潜力，前提是其使用寿命能够从大约一年延长至15年以上。
PSCs的使用寿命受到环境因素和内在因素的影响，环境因素如湿度和氧气可以通过封装来解决，而吸水性、热应力和离子迁移等内在因素则导致了钙钛矿材料及其与电荷传输层界面的不稳定性。特别是紫外线（UV）引起的降解，会导致钙钛矿形成碘或多碘化物，从而引起不可逆的反应。这个问题在新的太空应用领域中尤为关键，因为设备在AM0条件下的紫外线辐射水平极高，对设备的耐受性是一个重要的考验。
PSCs面临的技术挑战主要集中在提高其稳定性和效率。尽管PSCs在光电转换效率上取得了显著进步，但其长期稳定性仍然是实现商业化应用的主要障碍。PSCs的降解问题部分源自材料本身对环境的敏感性，尤其是紫外线的照射会导致材料结构的破坏和性能的下降。此外，PSCs在实际应用中还需要解决湿度、温度变化和机械应力等环境因素带来的影响。
为了克服这些挑战，研究者们正在探索多种策略，包括开发新型封装材料以隔绝水分和氧气，以及设计先进的光管理技术来增强光吸收和减少光诱导的降解。其中，如Escher图案的光子结构设计与应用，已被证明能够接近光捕获的理论极限。然而，如何在这些结构中同时实现紫外线保护和宽带吸收增益，仍然是一个技术难题。此外，超薄PSCs虽然有助于降低成本和提高机械柔韧性，但同时也因光吸收不足而限制了效率。因此，如何通过先进的光管理技术提高超薄PSCs的光吸收效率，同时保持材料的稳定性，是当前研究的重点。
1.光子结构的创新设计：为了提高PSCs的光吸收效率并减少紫外线引起的降解，研究人员提出了一种新型的棋盘格（Checkerboard, CB）图案光子结构，图1为平面型和光子增强型PSCs的架构示意图。这种结构通过特定的设计，不仅优化了光在电池中的路径，增加了光的捕获效率，还通过其结构特性提供了对紫外线的防护。这种设计显著提升了超薄PSCs的光电转换效率（PCE），实现了高达25.9%的光电流提升和28.2%的PCE提升。
图1. 平面型和光子增强型PSCs的架构示意图。
2.发光下转换材料的应用：研究人员进一步引入了一种发光下转换（Luminescent Down-Shifting, LDS）封装材料，这种材料能够将高能量的紫外线光转换为与PSCs吸收光谱匹配的可见光。这一策略不仅减少了对PSCs材料的紫外线损害，还有效地利用了这部分能量，提高了电池的光电转换效率。实验结果表明，LDS材料能够至少转换94%的入射UV辐射到可见光谱范围，这对于提高PSCs的性能和稳定性具有重要意义（见图2）。
图2. 研究的主要结果总结（使用原始和LDS修改的AM1.5和AM0光谱）。a）对于250 nm和500 nm钙钛矿厚度，使用平面和光子增强PSCs获得的PCE和光电流值的变化。b）仅由紫外光（<400 nm波长）产生的光电流，用于平面和光子增强的PSCs（在AM1.5和AM0照明下），此处显示了典型密封剂层（例如乙烯醋酸乙烯酯聚合物、EVA或玻璃，其n值约为1.5）和LDS密封剂（t-U（5000）/Eu3+）层（改进的照明光谱）的情况。
3.结合光学和电学建模的方法：对光子结构进行了精确的模拟和优化，如图3为漂移扩散模型的电学结果。这种方法不仅提高了设计效率，还确保了设计方案的科学性和实用性。通过实验验证和材料特性分析，研究者们展示了这些创新点在实际应用中的潜力，特别是在提高太阳能电池性能和稳定性方面的显著效果。这些成果不仅推动了太阳能电池技术的发展，也为未来的能源解决方案提供了新的思路。
图3. 漂移扩散模型的电学结果。a、b）显示了具有250 nm和500 nm钙钛矿厚度的PSC的能带图，其中钙钛矿层的位置由虚线表示。c、d）显示平面和光子增强型PSC的J（V）特性。插图显示了从曲线中提取的主要光伏量。
论文信息
Haque, S., Alexandre, M., Vicente, A.T. et al. Photon shifting and trapping in perovskite solar cells for improved efficiency and stability. Light Sci Appl 13, 238 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01559-2
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