中科院化学所宋延林&李明珠&浙江大学沙威团队Adv. Mater.：彩色的高效莫尔钙钛矿太阳能电池

【引言】

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSCs）由于具有大吸收系数、长载流子扩散长度、较少晶界和缺陷的大晶粒尺寸等优良的光电特性，以及与硅太阳能电池相比生产成本低等特点，可发展成为性能优越的薄膜光伏器件。最近，PSCs的功率转换效率（PCE）已提高到认证效率的25.5%。在开发更轻、更薄、更高效的PSCs的同时，为了将来的量产，人们还在减少材料用量（尤其是减少铅的用量）和生产成本方面做了许多努力。虽然钙钛矿是一种优良的光电材料，但其PCE仍低于其理论极限值。特别是有35%的光损失，包括14%被导电基板（FTO、ITO）吸收，4%被玻璃基板表面反射，2%在功能层（电子传输层、空穴传输层和电极层）损失，15%从PSCs逸出。有效的光子管理有望通过构筑捕光纳米结构将光富集到吸收层，并延长光路，从而增加光载流子的数量，使光电流和PCE得到提升，并有望实现低成本的高效薄型PSCs。

【成果简介】

近日，在中国科学院化学研究所宋延林研究员和李明珠研究员、浙江大学沙威教授（共同通讯作者）团队等人带领下，汪洋博士 等通过压印方法，借助商用DVD光盘，设计并制造出具有莫尔干涉结构的彩色高效莫尔PSCs。从实验和理论证明，通过改变旋转角度（0°–90°），可以有效地控制莫尔干涉结构的光富集能力。增强的短路电流归因于增加了光衍射通道，延长入射光光路，并将入射光富集到钙钛矿层中。此外，压印过程抑制了活性层界面的缺陷和空洞，消除了滞后。莫尔PSCs具有优化的30°旋转角度，可实现最佳的光收集增强效果（比原始高28.5％），使效率超过20.17％（MAPbI₃）和21.76％（(FAPbI₃)_1‐x(MAPbBr₃)_x）。该成果以题为“Colorful Efficient Moiré-Perovskite Solar Cells”发表在了Adv. Mater.上。

【图文导读】

图1 商用DVD光盘压印摩尔PSCs的示意图

a）具有有效光吸收的PSCs的示意图。因缺乏有效的光捕获结构, 大量的光在钙钛矿光电器件中被浪费。

b）具有双衍射光栅的PSCs的示意图。

c）莫尔PSCs具有不同相交角度，以提高光收集效率。

d）周期≈0.75µm，宽度≈0.25µm，高度≈0.1µm的PVK光栅结构钙钛矿薄膜的AFM图像。

e，f）使用双衍射光栅的莫尔钙钛矿薄膜的光束图像，在532nm处观察到衍射（e：侧视图，f：正视图）。它有三组衍射光束和衍射点。

图2 莫尔钙钛矿薄膜的光学表征

a）两个周期性结构相互干扰造成的莫尔图像。

b）通过将两个衍射光栅从0°旋转到90°来制备莫尔PSCs。莫尔周期取决于两个光栅之间的旋转角度。

c）莫尔周期与旋转角度的相图（从0°到90°）和莫尔图案形成的示意图（插图（c））。莫尔周期随着旋转角的增加而减小。

d）莫尔衍射的旋转角度与入射波长的关系图。从5°到55°的旋转角度确保莫尔光衍射覆盖宽的入射波长（400-800 nm）。

e）计算了两个入射波长（500和700 nm）下，从0°到70°的光吸收与旋转角度的关系。

f）测量莫尔钙钛矿薄膜的反射率和LHE。莫尔钙钛矿薄膜提高了长波长范围（λ> 700 nm）的光捕获效率和光捕获能力。

g）相对于非偏振入射光束（532 nm）的光功率（dB），在30°旋转角下进入莫尔PSC。

h）考虑到PSCs的反射损耗、EQE、Yablonovitch 4n²极限和4n²极限。由于莫尔衍射光栅耦合效应提高LHE，在长波长（λ> 700 nm）范围内，莫尔PSCs的EQE得到了增强。

图3 采用不同光捕获结构的PSCs光吸收的3D FDTD模拟

光栅周期是750nm。波长为500、600、700和750 nm的xz面电磁能量密度的空间分布：a）参照样参照样，b）D-TiO₂，c）D-钙钛矿，d）莫尔钙钛矿薄膜。莫尔钙钛矿薄膜的详细参数包括在25 nm致密TiO₂层， 180 nm的介孔TiO₂。在meso-TiO₂/PVK界面处有深度80 nm的光栅， 330 nm的PVK。 Spiro-OMeTAD厚度为300 nm的波纹，包括PVK/Spiro界面的光栅深度100 nm。与其他样品（原始、D-TiO₂、D-钙钛矿薄膜）相比，莫尔钙钛矿薄膜获得了最强的吸收，这是由于莫尔衍射光栅的耦合效应所致。

图4 莫尔钙钛矿太阳能电池的光电性能

a）彩色PSCs的视觉效果。

b）莫尔PSCs与MAPbI₃和(FAPbI₃)_1‐x(MAPbBr₃)_x钙钛矿活性层的的J-V特性。对于MAPbI₃，莫尔PSCs的PCE（20.17％）高于参照样（17.42％）。对于(FAPbI₃)_1‐x(MAPbBr₃)_x，莫尔PSCs的PCE（21.76％）高于参照样（19.11％）。

c）PSCs的J-V磁滞。莫尔PSCs显示出可忽略的光电流滞后。

d，e）利用MAPbI₃对PSCs的J-V特性进行实验测量和理论拟合。

f）PSCs的V_oc与光强度的关系。

g，h）在光强度为100 mW cm^-2的480 nm和650 nm照射下，PSCs的J-V磁滞测量。

i）最大输出功率点的电流密度和相应的PCE。

【小结】

综上所述，通过在电子传输层和钙钛矿活性层上压印衍射光栅结构，构建了莫尔干涉结构作为PSCs的空间光调制器。重要的是，团队提出了双光栅形成的莫尔干涉结构，通过将旋转角度从0到90°，灵活地控制光的采集。与单一和独立的光学结构相比，莫尔干涉结构提供了更多的衍射通道，从而增加了光程长度，增强了钙钛矿活性层的光吸收。因此，实现了两个莫尔PSCs，MAPbI₃效率最高为20.17%，(FAPbI₃)_1‐x(MAPbBr₃)_x效率最高为21.76%。结果表明莫尔干涉结构是一种很有前途的光管理策略，可以在不降低光电性能的情况下制造高性能光伏器件和光电探测器，尤其是钙钛矿/硅串联PSCs的潜在应用。基于商业DVD模板的压印方法，使得各种光电转换器件的制造简单、成本低、可扩展。该方法实用性强，易于推广用于制造高效率、低成本和大面积PSCs，为下一代高效光伏开辟了新的途径。

文献链接：Colorful Efficient Moiré-Perovskite Solar Cells（Adv. Mater.，2021，DOI:10.1002/adma.202008091）

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