华北电力大学蔡墨朗教授: 光耦合优化实现经济高效的平面硅-钙钛矿叠层太阳能电池

光耦合优化实现经济高效的平面硅-钙钛矿叠层太阳能电池

题目：Optical Coupling Optimization Enables Cost‐Effective Planar Silicon‐Perovskite Tandem Solar Cells

作者：Zishuo Wang Xianggang Chen Xuzheng Feng Shuyi Liu Jixiang Tang Yuhang Xie Xiaoxu Sun Shuyuan Fan Longfei Yan Xing Li* Molang Cai*

DOI:10.1002/cnl2.70035

链接：https://doi.org/10.1002/cnl2.70035

第一作者：王子硕

通讯作者：蔡墨朗，李星

单位：华北电力大学，中科院微电子所

研究背景

在过去十年中，钙钛矿光伏技术发展迅速。钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其优异的光吸收系数、较长的载流子寿命和可调控的带隙，受到了学术界和工业界的广泛关注。目前，单结钙钛矿太阳能电池的功率转换效率（PCE）已超过27%，接近商业市场上成熟光伏技术的性能水平。然而，传统单结钙钛矿太阳能电池的功率转换效率受限于光谱损失和热弛豫效应，逐渐趋近于肖克利-奎塞尔（Shockley-Queisser）理论极限。为进一步提高单位面积的功率输出，研究人员提出了多种提升钙钛矿太阳能电池性能的策略，其中叠层太阳能电池和双面太阳能电池已成为研究热点。钙钛矿基叠层太阳能电池已取得显著进展，采用叠层结构是提升效率的有效途径。

与传统单层太阳能电池相比，叠层太阳能电池的器件设计更为复杂。对于钙钛矿-硅叠层器件的制备而言，其本质是由两个串联的单一材料太阳能电池组成，因此在设计吸收光谱时必须实现电流匹配；较大的电流失配会导致性能损失，这使得光吸收分布的优化至关重要。通过调整溶液成分可改变钙钛矿材料的结构，因此需要针对不同的钙钛矿材料及厚度进行优化。此外，双面叠层器件的设计要求钙钛矿子电池具有更低的带隙以确保电流匹配，这是因为仅硅底电池能借助反射率获取额外光子。由此可见，双面叠层器件中钙钛矿的最佳带隙会受到反照率（albedo）的影响。

尽管硅衬底的纹理结构有助于捕光并减少反射，但平面结构也可通过使用抗反射涂层或光学设计实现高效的光捕获与管理。平面结构在制造工艺更简单、材料利用率更高等方面具有优势，这有望降低生产成本。此外，n-i-p结构中钙钛矿顶电池的空穴传输层（HTL）存在寄生吸收损失，会削弱钙钛矿材料的光吸收能力，进而影响叠层器件的短路电流密度。同时，钙钛矿材料较高的折射率（约2.5）使其与电荷传输层（CTLs）之间产生显著的界面失配，引发严重的光反射损失。因此，在器件设计中，必须同时考虑顶、底两个子电池的光吸收以实现电流匹配，这就需要在组件制备前通过数值模拟对设计方案进行优化。

Liu等人系统研究了光学耦合层（OCL）引发的光子重分布效应及其对两端子（2T）叠层太阳能电池的影响，并对比了多种可用作光学耦合层的材料（LiF、MgF2、Al2O3和ZnO）。Liu等人探究了电极引发的干涉效应，以揭示钙钛矿吸收层中的光场分布。透明电极引入的干涉效应会影响钙钛矿/硅叠层太阳能电池中子电池间的电流匹配，为太阳能电池透明电极的选择及钙钛矿光吸收层的适宜厚度确定提供了方法。Tang等人开发了一种高通量光电建模方法。研究表明，对于2T结构，当反照率为30%时，应采用低带隙钙钛矿（约1.44 eV）作为顶电池的光吸收层。此外，当反照率达到80%时，4T结构叠层电池的功率输出可实现超过495W m-2的发电密度，这表明双面太阳能电池在光伏市场中是极具潜力的技术。Michele De Bastiani指出，对于双面叠层电池，需考虑顶、底电池间的电流匹配以充分利用这种电流提升效应。使用溴含量较低的钙钛矿组件可抑制卤化物迁移，从而显著提高器件稳定性。目前，针对平面钙钛矿/硅叠层太阳能电池的全面光学优化研究仍较为缺乏。本文将从半透明太阳能电池、钙钛矿/硅叠层太阳能电池及双面钙钛矿/硅叠层太阳能电池三个方面，对其光学性能进行全面优化。

本研究针对平面钙钛矿-晶体硅叠层太阳能电池光损失较高的问题，采用有限元模拟方法，对半透明钙钛矿顶电池和2T平面钙钛矿/硅叠层太阳能电池的光学性能、载流子产生率及光电转换机制进行建模，分析器件内部光损失的来源。通过一系列改进措施降低短路电流密度损失，并获取载流子分布、光场分布、透射率及J-V特性等关键太阳能电池参数。最终制备出兼具高透射率与高光电转换效率的半透明钙钛矿太阳能电池。此外，在叠层器件中，优化功能层时需调整钙钛矿吸收层的厚度，以改善子电池的电流匹配，最终研制出高效的2T平面钙钛矿/硅叠层太阳能电池。最后，本研究还尝试计算了不同反照率下双面叠层太阳能电池的器件效率，分析了钙钛矿层厚度与带隙对器件性能的影响，并开展成本分析，为平面钙钛矿器件在叠层结构中的应用提供有力的理论支撑。

成果介绍

华北电力大学蔡墨朗教授团队通过系统分析了平面硅 / 钙钛矿叠层器件中的光学损失机制，并构建了一个光学模拟框架，以解决子电池间的电流匹配问题。通过精确调控空穴传输层厚度，我们实现了顶电池中寄生吸收与反射的协同优化。该方法制备出的半透明器件，其短路电流密度可达19.48 mA/cm2，功率转换效率为 20.37%。研究建立了光学耦合模型，用于确定叠层器件在电流匹配条件下各层的最佳厚度。针对双面结构，研究对活性层厚度与带隙进行了协同优化。模拟结果显示，当反照率为 0.3 时，带隙为 1.56 eV、厚度为 800 nm 的钙钛矿层可实现 35.40% 的效率。成本分析表明，在反照率为 0.3 的条件下，双面器件的平准化度电成本（LCOE）可降至 0.258 美元 / 瓦，相较于单面镀银器件降低了 12.8%。本研究提供了全面的光学设计策略与成本 - 性能评估方案，为开发下一代低成本、高效率叠层光伏结构提供了关键参考。该成果以“Optical Coupling Optimization Enables Cost‐Effective Planar Silicon‐Perovskite Tandem Solar Cells”为题发表在高水平期刊Carbon Neutralization上。

本文亮点

1、多结构研究提供支撑：覆盖半透明、2T 平面叠层及双面叠层电池，分析不同反照率下性能，对比多结构成本与功率，提供全面光学设计策略与成本 - 性能评估。

2、优化光学与电流匹配：系统分析平面硅 / 钙钛矿叠层电池光学损失机制，建模拟框架解决子电池电流匹配问题，调控空穴传输层厚度优化顶电池寄生吸收与反射。

3、双面器件高效低成本：协同优化双面结构活性层厚度与带隙，反照率 0.3 时，1.56 eV 带隙（800 nm）钙钛矿层效率达 35.40%，平准化度电成本 0.258 美元 / 瓦，较单面镀银器件降 12.8%。

本文要点

要点一

多结构研究提供全面支撑

图1：（a）本研究中所计算的半透明钙钛矿太阳能电池结构。（b）本研究中所计算的 2T（两端子）钙钛矿 / 硅叠层太阳能电池结构。（c）本研究中所计算的双面钙钛矿 / 硅叠层太阳能电池结构。（d）本研究的模拟设计思路。

图 1 清晰呈现了本研究的核心器件结构与模拟设计逻辑，涵盖半透明钙钛矿太阳能电池、2T 钙钛矿 / 硅叠层太阳能电池及双面钙钛矿 / 硅叠层太阳能电池三种关键结构，同时明确了从空穴传输层厚度、钙钛矿带隙到反照率等多维度的模拟优化方向，为后续光学性能分析与器件效率提升提供了基础结构参考和设计框架。

要点二

平面叠层电池光学与电流匹配优化

图2：（a）半透明钙钛矿太阳能电池结构图及短路电流密度（JSC）损失占比。（b）基于不同厚度螺环季铵盐（Spiro-OMeTAD，2,2',7,7'- 四 [N,N - 二（4 - 甲氧基苯基）氨基]-9,9'- 螺二芴）的半透明电池外量子效率（EQE）。（c）半透明器件的反射率。（d）器件内部钙钛矿层的光强分布。（e）基于不同厚度 Spiro-OMeTAD 的半透明器件在 600 nm 波长下钙钛矿层内部的光强。（f）寄生吸收电流与反射电流损失随 Spiro-OMeTAD 厚度的变化关系。（g）器件内部钙钛矿层光生载流子产生率的归一化分布。（h）基于不同厚度 Spiro-OMeTAD 的半透明器件在 600 nm 波长下钙钛矿层内部的光生载流子产生率。（i）半透明钙钛矿太阳能电池的总短路电流密度损失与短路电流密度随 Spiro-OMeTAD 厚度的变化关系。

图 2 围绕半透明钙钛矿太阳能电池展开，通过结构示意、性能参数曲线及分布图谱，系统呈现了 Spiro-OMeTAD 厚度对器件光学性能与电学性能的影响-既揭示了该材料厚度与寄生吸收、反射损失的关联，也明确了 130 nm 为其最优厚度（此时器件总JSC损失最小、JSC与功率转换效率最高），为后续叠层器件功能层优化提供了关键参数依据。

图3：（a）叠层太阳能电池结构示意图。（b、c）钙钛矿厚度对子电池短路电流密度（JSC）（b）以及叠层电池短路电流密度（JSC）与功率转换效率（PCE）（c）的影响。（d）钙钛矿层厚度为 290 nm 和 500 nm 时叠层子电池的外量子效率（EQE）光谱。（e–h）短路电流密度（JSC）（e）、开路电压（VOC）（f）、填充因子（FF）（g）和功率转换效率（PCE）（h）随螺环季铵盐（Spiro-OMeTAD）与钙钛矿厚度的变化关系。（i、j）短路电流密度（JSC）（i）和功率转换效率（PCE）（j）随氧化铟锡（ITO）与钙钛矿厚度的变化关系。（k、l）短路电流密度（JSC）（k）和功率转换效率（PCE）（l）随氟化锂（LiF）与钙钛矿厚度的变化关系。（m–o）子电池的外量子效率（EQE）光谱随 Spiro-OMeTAD（m）、ITO（n）和 LiF（o）厚度的变化。（p）优化前后叠层器件的功率转换效率（PCE）对比。

图 3 聚焦 2T 钙钛矿 / 硅叠层太阳能电池，通过结构示意、性能参数变化曲线及外量子效率光谱，系统分析了钙钛矿厚度与 Spiro-OMeTAD、ITO、LiF 三种功能层厚度的协同优化效果 — 明确了钙钛矿 290 nm 时子电池电流匹配、420 nm（结合功能层最优厚度）时器件效率达 30.49%，同时直观呈现优化前后效率差异，为叠层器件性能提升提供了关键结构与参数参考。

要点三

双面叠层电池效率与成本优势

图4：（a）双面钙钛矿 - 硅叠层太阳能电池结构示意图。（b、c）反照率为 0 时，顶电池（钙钛矿层）带隙与厚度对短路电流密度（JSC）（b）和功率转换效率（PCE）（c）的分布影响。（d、e）反照率为 0.3 时，顶电池带隙与厚度对短路电流密度（JSC）（d）和功率转换效率（PCE）（e）的分布影响。（f–i）不同钙钛矿带隙下，短路电流密度（JSC）（f）、开路电压（VOC）（g）、填充因子（FF）（h）和功率转换效率（PCE）（i）随反照率变化的趋势。

图 4 围绕双面钙钛矿 - 硅叠层太阳能电池展开，通过结构示意、不同反照率下的性能分布图谱及参数变化趋势，清晰呈现了钙钛矿带隙与厚度对器件性能的影响 —明确反照率 0.3 时 1.56 eV 带隙（800 nm 厚）钙钛矿层可实现最优性能，且揭示了低反照率下宽禁带、高反照率下窄禁带钙钛矿更具效率优势，为双面叠层器件在不同环境下的参数设计提供关键依据。

图 5（a）不同结构的叠层太阳能电池在不同反照率下的输出功率。（注：图中 “Ag” 代表基于金属银电极的单面叠层太阳能电池，“Bifacial-0” 及后续数值代表不同反照率条件下的双面叠层太阳能电池）（b）不同结构的叠层太阳能电池在不同反照率下的成本分析。

图 5 通过对比图表呈现了基于金属银电极的单面叠层电池与双面叠层电池的核心性能与成本差异，既直观展示了双面电池输出功率随反照率提升的变化趋势，也明确了反照率 0.3 时双面器件平准化度电成本低至 0.258 美元 / 瓦、较单面镀银器件降低 12.8% 的优势，为两种结构叠层电池的实际应用价值评估提供了关键数据支撑。

本文小结

本研究采用有限元模拟方法，对 n-i-p 结构的半透明钙钛矿太阳能电池及 2T（两端子）钙钛矿 / 晶体硅叠层太阳能电池进行了建模分析。针对 n-i-p 结构钙钛矿太阳能电池电流较低的问题，研究重点聚焦于半透明钙钛矿太阳能电池与 2T 钙钛矿 / 晶体硅叠层太阳能电池的光学优化。通过优化半透明电池与叠层电池顶电池中各功能层的厚度，结合光场分布、光吸收分布、外量子效率（EQE）及反射率，分析了厚度对短路电流密度（JSC）的影响。此外，叠层器件中螺环季铵盐（Spiro-OMeTAD）厚度的变化会破坏原有子电池的电流匹配，因此在优化 Spiro-OMeTAD 厚度的同时，还需考虑钙钛矿厚度的变化。当 Spiro-OMeTAD 厚度为 210 nm、钙钛矿厚度为 400 nm 时，叠层器件性能达到最优。研究还考虑了氟化锂（LiF）与氧化铟锡（ITO）对叠层器件的光学影响。

为进一步提升输出功率，研究在叠层电池底部引入反照率（albedo）。反照率的引入同时提高了硅底电池的短路电流密度（JSC），破坏了原有的电流匹配，因此需进一步优化钙钛矿层的带隙与厚度。最终，在反照率为 0.3 的条件下，双面叠层器件采用 800 nm 厚的钙钛矿吸收层可实现电流匹配，此时短路电流密度（JSC）达 22.52 mA/cm²，功率转换效率（PCE）达 34.90%。

最后，研究计算了基于金属电极的单面叠层太阳能电池与双面叠层太阳能电池的成本收益。结果表明，反照率每提升 0.1，成本平均可降低 0.01 美元 / 瓦。本研究为进一步探索单面与双面钙钛矿叠层太阳能电池的效率潜力及实验制备提供了指导。

作者介绍

第一作者

王子硕

华北电力大新能源学院硕士研究生，导师蔡墨朗教授。

通讯作者

蔡墨朗

华北电力大学新能源学院教授/博导，研究方向双面钛矿太阳电池及钙钛矿/晶硅叠层器件，主持重点研发计划课题、国家自然科学基金等相关项目，发表相关论文九十余篇，在Joule, ACS Energy Letter等国际著名期刊上以第一/通讯作者发表SCI论文41篇、专利8项，h-index 37。

通讯作者

李 星

中国科学院微电子研究所副研究员，博士生导师，主要研究方向为X射线探测器、太阳能电池。

课题组招聘

课题组欢迎具有材料科学、化学、物理、计算机科学研究背景的同学报考直博研究生和博士生。招聘具有钙钛矿太阳电池研究经验的博士后。具有高性能钙钛矿太阳电池、新型钙钛矿光电材料和大面积钙钛矿太阳电池模块制备经验的优先考虑。

申请人请将个人简历、反映本人学术水平的代表性成果等文档发送至molangcai@ncepu.edu.cn。

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[1] Molang Cai, Nobuyuki Ishida, Xing Li, Xudong Yang,* Takeshi Noda,Yongzhen Wu,Fengxian Xie, Hiroyoshi Naito, Daisuke Fujita, Liyuan Han*, Control of Electrical Potential Distribution for High-Performance Perovskite Solar Cells, Joule, 2018, 2, 296-306.

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期刊介绍

发 展 历 程

Carbon Neutralization是温州大学与Wiley共同出版的国际性跨学科开放获取期刊，立志成为综合性旗舰期刊。期刊于2022年创刊，名誉主编由澳大利亚新南威尔士大学Rose Amal院士担任，主编由温州大学校长赵敏教授和温州大学碳中和技术创新研究院院长侴术雷教授担任，编委会由来自10个国家和地区的28名国际知名专家学者组成，其中编委会19位编委入选2024年度全球“高被引科学家”。且期刊已被ESCI、Scopus、DOAJ数据库收录，并于2025年获得首个影响因子12。

Carbon Neutralization重点关注碳利用、碳减排、清洁能源相关的基础研究及实际应用，旨在邀请各个领域的专家学者发表高质量、前瞻性的重要著作，为促进各领域科学家之间的合作提供一个独特的平台。

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