為實(shí)現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性、高透光性的半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，一方面需要提升鈣鈦礦薄膜晶體的質(zhì)量，另一方面需要提升鈣鈦礦器件的光透過(guò)性。因此高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜的制備和透明電極的制備都很關(guān)鍵。
本節(jié)將重點(diǎn)圍繞半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的鈣鈦礦薄膜制備以及透明電極制備關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)討論。
對(duì)于半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池而言，由于其對(duì)光透過(guò)性、帶隙調(diào)節(jié)靈活性有著較高的要求，因此半透明電池在滿足上述要求的前提下，難免會(huì)出現(xiàn)因各因素制約使薄膜質(zhì)量變差，而造成的器件綜合性能降低的情況。
因此，如何借鑒并改良傳統(tǒng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池制備方法，制備出高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜顯得尤為關(guān)鍵。
本節(jié)從薄膜的制備工藝、表界面鈍化、形貌控制等方面分析總結(jié)其對(duì)制備半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的重要作用。
目前，鈣鈦礦層的制備工藝主要有溶液旋涂法、印刷制備法、真空蒸鍍法、磁控濺射法等，如圖 2(a)—(d)所示。
對(duì)于溶液旋涂法而言，無(wú)論是“一步法”還是“兩步法”，其顯著的特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便，各化學(xué)組分易于調(diào)配，目前光電轉(zhuǎn)換效率最高的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池就是采用該方法制備的。
但隨著鈣鈦礦太陽(yáng)能電池逐步向商業(yè)化邁進(jìn)，以及半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的多應(yīng)用場(chǎng)景需求特點(diǎn)，溶液旋涂法在大面積制備困難、薄膜一致性不足等方面的弊端也逐步顯現(xiàn)。
因此，一種可通過(guò)濕法制備大面積鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的印刷制備法在近年來(lái)受到了廣泛關(guān)注。
在傳統(tǒng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池制備過(guò)程中，表界面鈍化已作為一種常見(jiàn)來(lái)提高電池綜合性能的方法。
對(duì)半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池而言，亦是如此。特別是針對(duì)高透光度、寬帶隙等鮮明特點(diǎn)，由于透明電極的導(dǎo)電性不及金屬電極，加之制備出的鈣鈦礦薄膜難免產(chǎn)生各種缺陷，造成光生載流子非輻射復(fù)合， 這些對(duì)半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的填充因子以及開(kāi)路電壓產(chǎn)生了消極影響，降低了器件的綜合性能。
因此，借鑒傳統(tǒng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中表界面鈍化鈣鈦礦薄膜的方法，減少制備過(guò)程中薄膜所產(chǎn)生的缺陷來(lái)提高半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的器件性能是非常重要的。
有研究發(fā)現(xiàn)2-Br-PEAI是一種有效的多功能鈍化劑(圖 3(b))，該分子中苯環(huán)上的 Br不僅與 FA+離子形成了氫鍵，還與[PbI6]4發(fā)生相互作用，并填充了鈣鈦礦層表面的碘空位。
通過(guò)這些相互作用，可有效地減少鈣鈦礦薄膜的缺陷，抑制非輻射復(fù)合，提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。
經(jīng)過(guò)處理后的電池實(shí)現(xiàn)了24.22%的光電轉(zhuǎn)換效率以及 83.6%的高填充因子，并在約 50%相對(duì)濕度條件下老化 1500h 后，未封裝器件保持了超過(guò) 90%的初始光電轉(zhuǎn)換效率。
綜上，對(duì)制備高性能半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池而言，由于對(duì)透光性以及化學(xué)組分調(diào)控靈活性的要求較高，使得制備出的鈣鈦礦薄膜自身質(zhì)量有所下降，為了盡可能避免所造成的光電轉(zhuǎn)換效率以及穩(wěn)定性的損失，通過(guò)將傳統(tǒng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的表界面鈍化手段合理地應(yīng)用在半透明器件中，對(duì)鈣鈦礦薄膜自身的質(zhì)量提升是尤為關(guān)鍵的。
為了提高半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中鈣鈦礦薄膜的透明度，有很多研究團(tuán)隊(duì)的思路是通過(guò)對(duì)鈣鈦礦薄膜進(jìn)行形貌控制來(lái)滿足半透明器件對(duì)透光性的要求。
有研究早期通過(guò)將鈣鈦礦層形成“島”狀的微結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)在有一定光電轉(zhuǎn)換效率基礎(chǔ)上，盡可能多地將可見(jiàn)光透過(guò)的目的。
該方法可實(shí)現(xiàn)透光率在 0%至 80%之間的連續(xù)可調(diào)，并在30%光透過(guò)率的條件下獲得了 8%的光電轉(zhuǎn)化效率。
但由于“島狀”結(jié)構(gòu)鈣鈦礦薄膜的不連續(xù)性，使得該結(jié)構(gòu)下器件的整體效率提升受限，這也限制了其在半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用。
通過(guò)控制陽(yáng)極氧化鋁(AAO)中的孔徑，將 AAO 材料作為鈣鈦礦層的支架，可以精確地改變鈣鈦礦層所占的體積及厚度。器件的光電轉(zhuǎn)換效率實(shí)現(xiàn)了9.6%，整個(gè)器件的平均可見(jiàn)光透過(guò)率達(dá)到了 33.4%。
特別值得注意的是，AAO 結(jié)構(gòu)對(duì)抑制鈣鈦礦層內(nèi)部離子的擴(kuò)散有著顯著作用，也改善了器件在連續(xù)光照條件下的穩(wěn)定性。
因此，通過(guò)對(duì)鈣鈦礦薄膜形貌的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的半透明化不失為一種更為直觀的方法，該類(lèi)方法對(duì)器件的光透過(guò)性也有明顯的提升作用。
透明電極的開(kāi)發(fā)是半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池另一個(gè)至關(guān)重要的組成部分，它對(duì)半透明太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率、光透過(guò)率、顏色、穩(wěn)定性、機(jī)械性能和成本都有重要影響。
目前，主要研究的透明電 極包括：透明導(dǎo)電氧化物 (TCO)、薄金屬電極(MFE)、碳納米管(CNT)、銀納米線(AgNWs)、導(dǎo)電聚合物(PEDOT:PSS)、石墨烯(graphene)等。
其中，透明導(dǎo)電氧化物電極和薄金屬電極研究最具代表性，因此本節(jié)將以它們?yōu)橹攸c(diǎn)梳理，并總結(jié)相關(guān)制備工藝及研究進(jìn)展。
透明導(dǎo)電氧化物(TCO)的主要材料包括：氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO)、鋁摻雜氧化鋅(AZO)、鈰摻雜氧化銦(ICO)、氟摻雜氧化錫(FTO)、氫摻雜氧化銦(IO:H)等。
其主要特點(diǎn)是光透過(guò)率高(平均可見(jiàn)光透過(guò)率 85%以上)，相比其他類(lèi)型透明電極電阻率較低，空氣穩(wěn)定性好。
透明導(dǎo)電氧化物主要的缺點(diǎn)是制備過(guò)程中容易破壞鈣鈦礦膜層，造成太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率下降甚至失效，此外，它還存在機(jī)械脆性較強(qiáng)等問(wèn)題。
透明導(dǎo)電氧化物電極的制備方法包括磁控濺射法、溶液旋涂法等。
目前，在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中的制備以磁控濺射法為主。它的原理是在電場(chǎng)作用下電子與氬原子發(fā)生碰撞，大量的氬離子和電子不斷地轟擊靶材，產(chǎn)生大量的靶材原子，呈中性的靶材原子(或分子)沉積在樣品膜層表面上。
該制備方法最主要的優(yōu)勢(shì)是沉積的薄膜致密、成膜速度快、靶材(包括金屬、金屬氧化物等)適用范圍廣。
但在制備過(guò)程中濺射功率、艙壓、氬氣含量(與氧氣的混合比例)、靶材到基片的距離角度、濺射時(shí)間(膜厚)等多種參數(shù)會(huì)相互影響，優(yōu)化過(guò)程難度較大。
因此，目前各研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)不同 TCO 材料在磁控濺射沉積過(guò)程中容易破壞鈣鈦礦層、透明導(dǎo)電氧化物在長(zhǎng)距離(1cm 以上)具有高電阻值、大面積制備導(dǎo)電性差等問(wèn)題方面開(kāi)展了一系列的研究工作。
目前，采用 TCO 透明電極的半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，最高光電轉(zhuǎn)換效率為 18.2%，近紅外區(qū)域(760~1200nm)透光率為75%。
雖然基于金屬氧化物材料制備 TCO 透明電極及其在半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池方面的應(yīng)用已經(jīng)取得了卓有成效的研究成果，但對(duì)于這種類(lèi)型半透明電池的光學(xué)特性、穩(wěn)定性、能級(jí)調(diào)控等方面的研究仍處于初級(jí)階段。
這將是半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的重要研究方向。
薄金屬電極是指將傳統(tǒng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的金屬電極層厚度由 100nm 左右降低至 10nm 左右，其特點(diǎn)是：較傳統(tǒng)金屬電極(100nm)光透過(guò)率高，相比 TCO 電極電阻率更低，可作為柔性電極，金、銀、銅、鋁、鎳等金屬都可被廣泛地用作薄金屬電極材料。
但存在的主要問(wèn)題是透光率比透明電極低(TCO 等)，容易被氧化，易發(fā)生離子擴(kuò)散導(dǎo)致器件穩(wěn)定性差等。
對(duì)于超薄金屬的透明電極制備而言，首要解決的就是光透過(guò)性和導(dǎo)電性之間的關(guān)系，提高半透明器件的光電轉(zhuǎn)換效率和透光性。
其次，是尋找合適的能夠抑制金屬離子擴(kuò)散的介電層材料，提高器件的工作穩(wěn)定性。其他透明電極材料由于文獻(xiàn)所報(bào)道的電池光電轉(zhuǎn)換效率較低且研究的成果較少。
在“雙碳”目標(biāo)和構(gòu)建新型電力系統(tǒng)為背景的能源轉(zhuǎn)型發(fā)展進(jìn)程中，新型光伏發(fā)電技術(shù)將發(fā)揮著重要作用。
特別是以半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池為代表的光伏器件不僅要圍繞著高光電轉(zhuǎn)換效率、高穩(wěn)定性、高透光率的發(fā)展目標(biāo)，還需要對(duì)其進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，以滿足實(shí)現(xiàn)電池在多個(gè)場(chǎng)景應(yīng)用的需求，從而更好地為低碳能源轉(zhuǎn)型提供技術(shù)支撐。
對(duì)半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵技術(shù)而言，需要在兼顧高透光性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升器件的光電轉(zhuǎn)換效率，并深入分析其內(nèi)在的機(jī)理，揭示半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在透光性效率之間的內(nèi)在聯(lián)系。
來(lái)源：半透明鈣鈦礦太陽(yáng)能電池關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用
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