反蛋白石光子晶体构建双面彩色高效钙钛矿太阳能电池和组件

主要内容

具有绚丽色彩的钙钛矿太阳能电池在建筑集成光伏（BIPV）领域展现出令人瞩目的巨大潜力，能够显著提升清洁电力的利用率，为建筑节能与可持续发展提供新的解决方案。然而，相较于无色器件，其效率仍存在一定差距，这在一定程度上限制了其大规模商业化应用。此外，传统的单面彩色器件由于采光面单一，难以满足多样化的BIPV应用场景需求，如不同朝向、不同光照条件的建筑表面。

在此背景下，北京航空航天大学能源与动力工程学院黄建媚教授带领其团队，经过长期深入研究与反复实验，成功开发出一种双面彩色太阳能电池（BFI-SC）。该电池巧妙地由逆蛋白石（IO）钙钛矿光子晶体和透明的前后电极构成。逆蛋白石结构是一种具有周期性孔隙结构的三维有序材料，这种特殊结构赋予了电池独特的性能。

所开发的BFI-SC正反两面均呈现出明亮鲜艳的色彩，这种独特的视觉效果源自逆蛋白石钙钛矿光子晶体光子禁带的反射作用。当光照射到逆蛋白石结构上时，特定波长的光会被反射，从而形成我们看到的绚丽色彩。

不仅如此，这种独特的IO光子晶体还具备多重优势。它能够有效降低界面处的菲涅尔反射，减少光在界面处的损失，使更多的光能够进入电池内部被吸收利用；同时，还能产生慢光子效应，延长光在材料中的传播路径，增加光与材料的相互作用时间，从而增强了材料对光的吸收和利用效率，为获得高效率提供了有力保障。而且，BFI-SC可实现双面采光，这一特性大幅提升了器件的整体效率，尤其是在一些光照条件复杂的环境中，如建筑物的阴影区域或早晚光线较弱的时段。

因此，BFI-SC实现了高达18.00%的出色双面等效效率（ηeq），这一成绩在已报道的多色（或虹彩）太阳能电池中处于领先地位，标志着该领域在效率提升方面取得了重要突破。为了进一步验证其实际应用价值，研究人员还成功组装了更大规模的BFI-SC模块，其最高ηeq达到12.77%，展现了良好的规模化应用前景，为未来建筑集成光伏的大规模推广奠定了基础。

此外，为了证明该着色策略的普适性，研究团队还尝试了另一种具有IO结构和宽带隙成分的钙钛矿材料。实验结果表明，这种材料同样展现出正反两面的鲜艳色彩，这充分表明该着色策略与钙钛矿的具体成分无关，具有广泛的应用潜力，不仅适用于常见的钙钛矿材料，还能拓展到其他具有类似结构的材料体系中。

文献信息：

Inverse Opal Photonic Crystal Structured Bifacial-Iridescent Efficient Perovskite Solar Cells and Modules

Shengwen Zou, Yi Xin, Jinlong Jin, Zhenchao Lin, Yayan He, Jie Liang, Xiaojun Yan, Jianmei Huang

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202420130