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紫外光阻擋半透明薄膜太陽能電池材料前沿熱點、能源材料、信息電子材料。

關鍵詞： 紫外光阻擋、非鉛、半透明、薄膜

應用領域

半透明太陽能電池

成果簡介

智能玻璃可以通過選擇性地吸收太陽光譜的不同波段，來補償或滿足室內居民在保暖，製冷以及照明方面的能源消耗。對於具體實現而言，目前已有多種報導的解決方案，其中透明光伏技術（TPV）可以在選擇吸收的過程中產生一定量的本地電能，以支持系統的自動化運轉，被認為是最為可行的實現方略。為衡量透明光伏器件的性能優劣，兩個主要性能參數被引入，其中光電轉換效率衡量的是器件的能量轉換能力，平均可見透過率則被用于衡量器件的應用普適性以及集成難易度，以適應不同使用場景下的需求。兩大參數的優化要求器件在紫外波段呈現非常強的吸收以及高外量子效率，同時儘可能透過可見光和近紅外光，這需要具有一定寬帶隙的半導體材料作為器件的光吸收層。 首先，理論上計算了分波段太陽光譜對器件的光生電流以及平均可見透過率（AVT）的貢獻，得出使用帶隙約為2.67eV的吸收材料可以在保證AVT大於99%的基礎上產生最高的光電流，若吸收材料帶隙過窄，透過率會急劇下降，若帶隙過寬，產生的光電流則會減小。所以，尋求能級恰好合適的吸收材料是該技術發展的要點和難點。目前所報導的透明光伏吸收材料主要局限於有機小分子以及有機染料，而應用無機半導體則幾乎無報導，原因則在於透明光伏器件對帶隙的限制極其嚴重。為滿足對帶隙的嚴格限制，我們採用非鉛雙鈣鈦礦Cs2AgBiBr6作為透明光伏器件的吸收層。Cs2AgBiBr6的禁帶寬度為1.98eV,但作為間接帶隙半導體材料，其在帶隙附近的吸收較弱，較強的吸收則延長到了450nm，保證了該材料在可見光波段的高透過率。在平面結構電池的基礎上，利用磁控濺射製備的氧化銦錫薄膜作為器件的頂電極，同時選用在可見光波段完全透明的載流子傳輸材料，使得整體器件表現出對可見光的極弱吸收。 傳統一步旋塗法製備的Cs2AgBiBr6薄膜會呈現出較強的散射作用，會引起較大的透射光損失，這是由於薄膜的霧度和粗糙度過高。針對此問題，我們發展了低壓輔助成膜法來製備高質量雙鈣鈦礦薄膜，經過低壓後處理的薄膜的霧度明顯下降，平整度提升，從而具備更低的散射損失以及透明度，為整體器件的透過率提升起到了關鍵作用。 還進一步研究了器件的傳輸層厚度，透明電極厚度對轉換效率和光學透過的影響，並通過在入射光一側加入減反射膜進一步提升了器件整體的可見光透過率。器件最終呈現出的平均可見透過率達到了72.5%，為目前報導的基於透明傳輸層的透明光伏器件的最高值之一，光電轉換效率達到了1.56%，該效率為所有已報導透過率超過70%的透明太陽能電池的最高值，也是已報導的最高效率無機紫外吸收透明光伏器件具有紫外防護功能的非鉛雙鈣鈦礦太陽能電池的結構圖；b）太陽能電池SEM截面圖；c）半透明電池的照片。

經濟效益與社會效益

紫外光阻擋的半透明光伏器件在建築和汽車的窗戶，以及手機等電子產品中有着潛在的應用價值。