近日，杭州电子科技大学电子信息学院严文生教授团队在钙钛矿光伏电池领域取得重要研究进展。随着今年国家“碳达峰、碳中和”战略目标的提出，立足于低碳引领的光伏技术，以加速我国工业制造产业链升级为目的，对调整我国未来能源消耗体系及全球绿色产业具有重要战略意义。在光伏电池种类中，钙钛矿太阳能电池具有低成本、高性能等独特优势，其产业化前景得到了工业界越来越大的重视。
该团队独辟蹊径，采用光管理策略用以提高钙钛矿电池的短路电流密度和转换效率。他们选择和制备了一种高稳定性的Cs0.05(FA0.85MA0.15)0.95Pb(I0.85Br0.15)3电池。在做电池光管理之前，首先进行钙钛矿薄膜的椭圆偏振测量，通过构建物理模型，获得了该钙钛矿薄膜波长依赖的光学常数实验值(n,k) (图1)。
图1 (a)制备的钙钛矿薄膜截面SEM图；b)钙钛矿薄膜波长依赖的光学常数实验值(n,k)。
在此基础上，他们首先研究了典型的入光面为平面的玻璃衬底上钙钛矿电池。通过构建钙钛矿电池模型，进行光学仿真，得到各层优化材料及厚度参数，并反馈到实验进行电池制备(图2a)。通过钙钛矿电池的外量子效率测量与模拟的外量子效率进行比较，两者展现了出色的吻合(图2c)。这表明了模型及仿真的高度可靠性。实验上获得平面玻璃衬底上钙钛矿Cs0.05(FA0.85MA0.15)0.95Pb(I0.85Br0.15)3电池最高效率为20.5%，激活面积为0.16cm2(图2b)。在稳定性方面，电池经过40天后，其转换效率仍可保持原先的90%之高(图2d)。
图2 (a) 制备的Cs0.05(FA0.85MA0.15)0.95Pb(I0.85Br0.15)3钙钛矿电池截面SEM图；(b)J-V曲线及光伏电池参数；(c)测量和仿真的EQE比较及积分的短路电流密度;(d)器件稳定性测量结果。
在上述钙钛矿电池的基础上，他们进一步通过微纳结构表面工程化及光管理策略，可以大幅度提高电池的短路电流密度和转换效率。以优化的纳米圆锥阵列为例，短路电流密度可以提高1.8mA/cm2，转换效率提升至22.1%。 如果结合文献报道的添加剂策略，该组分钙钛矿电池的转换效率可以进一步提升至23.7%。上述研究工作发表在一区杂志 Journal of Power Sources, Vol.510, PP.230410。该工作以杭州电子科技大学为第一单位，与国内武汉理工大学材料国家重点实验室、湖北文理学院湖北省重点实验室以及德国卡尔斯鲁厄理工学院共同合作完成。