彩色高效钙钛矿电池效率新突破

随着钙钛矿太阳能电池(PSCS)技术的不断成熟，其在光伏建筑一体化和可穿戴器件中的应用前景激发了人们对于彩色钙钛矿太阳能电池的浓厚兴趣，人们开始设想开发彩色太阳能电池以满足前述应用中的审美需求。但如何将可见光宽波段吸收且具有高吸光系数的钙钛矿材料构筑成高性能的彩色太阳能电池仍是一个挑战。

钙钛矿电池广泛的光学吸收和较大的吸收系数通常会导致呈现为深棕色的高效率电池。目前，已有两种代表性的方法来实现彩色PSC：

(1)带隙工程;

(2)结构颜色。

图1. (网络版彩色)两种典型的钙钛矿太阳能电池的结构示意图.

(a) 介观结构钙钛矿太阳能电池;

(b) 平面异质结结构钙钛矿太阳能电池

由于与增大的带隙相关的光学吸收会减弱，前一种方法通常会导致功率转换效率(PCE)值显著降低(通常小于13%)。

后一种方法利用了图案结构产生的工程光学特性，从而生成明亮和耀眼的结构颜色。尽管在为实现较高效率的彩色PSC电池付出了巨大的努力，但高效彩色PSC电池的结构设计仍然是一个挑战。

具有显著光子结构的二维图案化纳米碗阵列先前被用于电子传输层(ETL)来制造有效的PSC，但所获得的PSC仅显示出暗褐色或深棕色，这可能与钙钛矿涂层完全填充纳米碗有关。

最近，北京大学科学家李明琦研究小组采用了一种新的策略，通过将均匀的钙钛矿薄层精细地沉积到排列的NBS中，在不影响其光子性质的情况下，作为一种结构ETL来制备彩色PSC。

他们成功地将TiO2-Nb阵列用作光子ETL，与CH3NH3PBi3的均匀薄覆盖层集成，从而实现了高效率的彩色钙钛矿太阳能电池。通过Lewis酸碱加合方法制备了一种基于乙酸铅的新晶体前体薄膜，该方法允许前体薄膜均匀地沉积在TiO2-NBS的内壁上，并随后形成均匀的优质钙钛矿晶体覆盖层。

使用纳米碗阵列制作的钙钛矿太阳能电池继承了周期结构的光子特性，在光照下呈现出与角度相关的生动色彩(图2)。

图2. 基于纳米碗阵列的彩色PSC

这些彩色PSC表现出显著的光伏性能，最高效率达16.94%，平均效率为15.47%，高于目前报道的所有彩色PSC。

通过对图案化纳米阵列结构的精细控制和钙钛矿薄膜沉积工艺的优化，有望进一步提高基于纳米碗阵列的彩色PSC的性能。这项研究将为开发高效彩色钙钛矿太阳能电池开辟一条新的途径，其应用前景广阔，包括建筑集成光伏。