钙钛矿太阳能电池 (PSC) 用途广泛，是日常生活中很有前途的设备。在这项研究中，研究人员通过模拟优化了基于 ETL 的双面钙钛矿太阳能电池，使其适用于柔性设备。该过程通过选择合适的前透明电极 (FTE)、空穴传输层 (HTL) 和后透明电极 (RTE) 来完成。
用于柔性设备的基于 ETL 的双面钙钛矿太阳能电池
研究发现，钙钛矿电池器件的功率转换效率（PCE）显著提高。这得益于FTE/钙钛矿界面处具有较小导带偏移（CBO）的类阱结构。然而，当HTL价带向上移动时，器件性能有所下降。
核心亮点
- 优化无ETL双面钙钛矿以用于柔性器件。
- 钙钛矿界面处的最小 CBO 可以提高器件性能。
- RTE 的带隙和电子亲和力极大地影响着器件的性能。
- 1.4 eV 的钙钛矿是最佳的。
- 对于两种照明条件，该设备均显示 PCE >27%。
钙钛矿太阳能电池的功率转换效率（PCE）在十年内从3.8%提高到26.1%。因此，有机-无机金属卤化物钙钛矿太阳能电池近年来备受关注。
然而，柔性钙钛矿太阳能电池（PSCs）的研发受到电子传输层（ETL）烧结温度过高的限制。在反式PSCs中，研究人员主要使用[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯（PCBM）作为ETL来提高其效率。由于PCBM价格昂贵，将其应用于器件中会增加器件的整体成本。
研究人员随后尝试了无电子传输层（ETL）的钙钛矿太阳能电池（PSC），这种器件是最有前景且最易于接受的。该方法结构简单，无需复杂的制备过程，从而减少了所需的时间和能源。
小知识：Liu 等人开发了第一个 PCE，其效率为13.5%。
目前的PCE电池效率为20-22％，但由于电荷传输率不平衡，效率仍然落后。
原因：缺少 ETL 时永久内置字段。
考虑不同的方法
研究人员考虑使用聚光器、串联排列具有 2 个或更多不同带隙的光伏材料以及双面方法。所有这些都旨在提高设备的性能并鼓励广泛采用该技术。由于双面设计简单且价格低廉，因此它通过添加背面透明电极以略高的成本提高了功率转换效率。
通过安装透明电极，光线可以从系统的两端进入。这样一来，双面太阳能电池板的功率转换效率（PCE）有望比单面电池板提高30%以上。然而，实际PCE会受到多种因素的影响，例如倾斜角度、地面反射率和离地高度等。此外，如果将双面太阳能电池和柔性太阳能电池技术的优势结合起来，就能制造出高效且用途广泛的太阳能收集装置。
无电子传输层柔性双面钙钛矿太阳能电池的应用：
- 商店的折叠遮阳帘
- 折叠窗罩
- 在风帆上
- 或者海滩上的遮阳伞
柔性PSC可通过逐层加工方法加工，并可用低成本柔性层进行封装。尽管柔性双面PSC是一项新技术，仍在研发中，但已取得了显著进展。
美国国家可再生能源实验室 (NREL) 发起了一项计划，利用可回收树脂开发风力涡轮机叶片。
借助模拟，研究人员可以轻松瞄准后透明电极 (RTE) 所需的参数或特性。这使他们能够实现设备的最佳性能。在目前的模拟工作中，研究人员按照下图复制了无 ETL 双面。
通过观察具有不同电极、界面缺陷层和空穴传输层的柔性太阳能电池，研究人员发现了能带排列和势垒，从而提高了整体性能。此外，他们将钙钛矿吸收层的带隙优化至1.4 eV，在不同条件下实现了超过27%的效率。
器件结构及模拟参数 基于 ETL 的钙钛矿
- 研究人员使用一维太阳能电池电容模拟器（SCAPS-1D）封装来模拟所提出的设备。
- 此外，为了从经过验证的装置设计双面装置，用透明电极 Cu/Cu2O 复合层代替 Au。
- 钝化 FTO（PFTO）被用作 FTE。
结果与讨论
前透明电极 (FTE) 的影响
在无电子传输层（ETL）的钙钛矿太阳能电池（PSC）中，薄膜传输电极（FTE）应设计成具有高透明度和优化的能带排列，以实现高效的电荷传输。研究人员已经开发出多种FTE，例如锆掺杂氧化铟（Zr:In2O3）、氧化铟锡（ITO）、铝掺杂氧化锌（Al:ZnO）以及钝化/改性氧化铟锡（PFTO）。在较低温度下，这些电极很容易沉积在柔性基底上。
从下面的能带图可以看出，接近于 0 的 FTE 界面处的 CBO 具有更高的 PCE。ITO 处的电场方向与 HTL 界面相反，这不利于有效的电荷传输。
这被视为电子流向 FTE 的潜在屏障。根据复合曲线，CBO 值较小的器件在 FTE 界面处复合较少。FTE 的电子亲和力增加，而 FTE 界面处的 CBO 发生负变化。这是由于相邻层之间的电子亲和力不同。
随着 FTE 层厚度的增加，从 FTO 侧照射时器件的 PCE 会降低。但是，从背面照射时没有观察到明显变化。
KAUST 展示了效率为 33.7% 且稳定的钙钛矿硅串联太阳能电池。
空穴传输层（HTL）的影响
在本研究中，性能参考器件使用了不同的 HTL，如 DM、Cul、Cu2O 和 CuSCN。以下能带图显示了钙钛矿或 HTL 和 HTL/RTE 界面处修改后的能带排列。从背面照射时，Cul 和 CuSCN 器件中的复合显示出相同的 SRH 复合曲线。相邻层的价态越高，直接复合的可能性就越大。
界面缺陷层的影响
在热退火过程中，界面缺陷会凸显出来。如果界面缺乏氧空位、晶格失配和化学计量比不匹配，这些缺陷就会加剧。本研究讨论了以下三种类型的缺陷界面：
- HTL/背面电极：由于背面电极与HTL在氧气存在下发生反应而引起的。
- TCO/钙钛矿：该界面的缺陷会导致氧空位。
- 钙钛矿/HTL：其中的任何缺陷都会导致晶格失配。
- 当缺陷密度小于 10^16 cm−3 时，器件的 PCE 保持不变。这表明界面层中的复合率较低。
- 当浓度高于 10^16 cm−3 时，复合率会增加，从而降低设备的效率。
- 类似地，随着界面缺陷层厚度的增加，器件的PCE呈线性下降，导致IDL区域的复合率增加。
这一现象支持了通过钝化或任何其他合适的处理方法减少 PFTO/钙钛矿界面缺陷的要求。大多数情况下，表面钝化是改变表面形貌的首选方法。
背面透明电极 (RTE) 的影响
该电极在决定双面钙钛矿太阳能电池（PSC）的整体性能方面起着至关重要的作用。影响双面太阳能电池性能的两个主要因素是电子亲和势和带隙。与单面PSC相比，双面PSC的功率转换效率（PCE）较低，这会对RTE产生重要影响。随着RTE带隙值的增加，在空穴传输层（HTL）/RTE界面处观察到价带偏移（VBO）由负值变为正值。
在两种光照条件下，该器件在价带偏移 (VBO) 为 +0.29 eV （带隙约为 2.4 eV）时表现出最高的光电转换效率 (PCE) 。当两种光照条件下的电子亲和势均为 3.3 eV，且空穴传输层/反射传输层 (HTL/RTE) 的 VBO 为 +0.13 eV 时，器件性能得到提升。
随着 RTE 电子亲和力的增加，HTL/RTE 之间的 VBO 向正方向移动。研究表明，基于 NAN 的器件在背面照明时表现出更高的 PCE。这表明在 HTL/RTE 界面处，基于 NAN 的器件在负方向上的电场强度降低。此外，PCE 器件随着功函数的增加而增加，并且它们在较大的功函数下达到饱和状态。
另一项研究介绍了PeroNova公司生产的效率为28%的钙钛矿硅串联太阳能组件。
钙钛矿层的优化
如上所述，我们模拟了使用不同 FTE、HTL 和 RTE 的不同设备组合。随着钙钛矿吸收层的增加，电荷载流子生成减少。相反，随着吸收层内建电位的增加，VOC 增加。PCE 设备增加到 1.4 eV 的优化带隙，其他如下：
- 正面照明 PCE 24.65%
- 后照式照明PCE 25.48%
钙钛矿吸收层的缺陷密度从8.0 × 10^14 cm−3降低到 1.0 × 10^14 cm−3 。这使得器件的 PCE 在正面和背面照明时分别提高到 26.27% 和 26.45%。
此外，将吸收层厚度优化至800 nm，并将缺陷密度降低至 1.0 × 1014 cm−3，这使得器件的 PCE 提高至 26.88%（正面照明）和 27.35%（背面照明）。
结论
因此，研究人员得出结论，使用模拟包可以优化无 ETL 双面 PSC。通过研究不同材料对器件性能的影响，观察到某些材料由于其特定性质而提高了性能。此外，带隙、缺陷密度和厚度是钙钛矿吸收层的重要决定因素。因此，通过优化后照度和前照度配置，实现了超过 27% 的功率转换效率。
