发展清洁低成本的太阳能光伏发电技术，是实现“双碳”目标的重要途径。通过串联宽/窄带隙钙钛矿子电池、并结合中间互联层构筑的全钙钛矿叠层太阳能电池，理论效率可达到45%，被视为下一代光伏技术的重要发展方向。然而，当前先进的全钙钛矿叠层太阳能电池的短路电流密度仍然限制在16.7 mA cm-2以下，主要原因在于器件对光的利用不足，制约了该技术的进一步发展。近日，南京大学林仁兴助理教授与谭海仁教授在《Light: Science & Applications》期刊上发表了题为“Light Management in Monolithic All-Perovskite Tandem Solar Cells”的综述论文，阐述了全钙钛矿叠层电池光管理策略的独特性，并系统地总结了其光管理策略目前的进程、当前挑战与未来展望（图1）。
图1 全钙钛矿叠层太阳能电池中的光管理策略
全钙钛矿叠层电池中特殊的光管理
光管理对全钙钛矿叠层电池的光电流产生具有关键影响。在光子抵达钙钛矿吸收层之前，部分光因功能层的界面反射和寄生吸收而产生显著损耗。此外，吸收层内部同样存在光损耗，这不仅源于光子吸收不足，还包括寄生载流子输运带来的损失。为此，本文根据光子入射的路径将光管理策略系统地分为两类（图2）：一是最小化外部光学损耗，以最大限度地提升进入吸收层的光子数量；二是增强吸收层的光捕获能力，提高光子到载流子的转换效率，从而产生更多的电子-空穴对。
值得一提的是，单结钙钛矿电池通常可通过减少非活性层的寄生吸收、增加活性层的厚度来增强光捕获，从而实现较高的短路电流值。然而，全钙钛矿叠层电池的光学设计更为复杂（图2），原因有三：首先，更多层的结构与两结子电池之间互连层的引入不仅增加了光损耗，还需额外考虑子电池之间的光谱分配与电流匹配；其次，铅-锡共混窄带隙钙钛矿本身的高缺陷密度以及对红外波段的低吸收系数，导致叠层电池难以有效捕获近红外波段光子；最后，薄膜干涉效应也对底部窄带隙子电池的最佳电流匹配提出了新的挑战。这些因素共同造成了单结电池中不存在的权衡问题，意味着全钙钛矿叠层电池需要更有针对性的光管理策略。
图2 光管理策略与全钙钛矿叠层电池示意图
全钙钛矿叠层电池光管理核心：电流匹配原则
在叠层电池中，由于电流匹配、子电池性能的独立性和复杂的多层干扰效应的综合影响，光管理策略与单结电池中的光管理策略存在根本性的不同。单结电池的光管理原则在于光吸收最大化原则，而对于叠层电池的光管理，则强调电流匹配原则。考虑到子电池的独立性，相比于已经接近光学极限的宽带隙子电池，在窄带隙子电池中实施相应的光管理策略明显更具性价比。然而，单一地窄带隙子电池的光管理策略会打破原有叠层电池的电流平衡模式，导致器件性能可能不升反降。为了实现新的匹配并提高叠层电池的综合性能，必须对两个子单元进行重新优化，包括相应的带隙和厚度（图3）。这意味着随着窄带隙子电池的光学性能逐步优化，宽带隙子电池的相应参数也会随之改变，但总体会朝着带隙减小、厚度增大的趋势发展。
图3 全钙钛矿叠层电池中的电流匹配设计与发展趋势
降低光学损失：光子入射最大化
虽然精密的带隙匹配和厚度调整能确保子电池之间合理分配太阳光谱，但这并不能保证所有入射光子都能到达两个钙钛矿吸收层，这也是全钙钛矿叠层电池产生的光电流不足的其中一个关键因素。由于界面反射和寄生吸收而不能进入钙钛矿吸收层的光子被归类为外部光学损耗。本文指出光学损耗主要来自反射和寄生吸收（图4）。全钙钛矿叠层电池的总体反射表现出具有明显的光谱独特性，在紫外波段内，损耗的主要来源是玻璃的本征反射；在可见光区域，玻璃/ITO电极、钙钛矿/传输层等多个界面的累积反射占据主导；延伸到近红外区域，除了界面反射损失外，窄带隙钙钛矿的吸收降低也是主要原因。而寄生吸收主要来自光学性能不理想的功能层，包括前电极ITO层、金属复合层Au、PEDOT: PSS层和背电极Cu。除了由于表面等离子体共振而不可避免的金属背电极损耗外，其余的光学损耗可分为反射损耗、来自前电极、传输层和互联层的寄生吸收。
图4 全钙钛矿叠层电池的光学损耗：反射损失与寄生吸收
提高光利用：光子转换最大化
除了降低全钙钛矿叠层电池的光损耗外，提高光利用率也同样至关重要。前者的目标是增加入射光子，而后者注重有效电荷的产生和收集，以最大化这些光子的内部利用。通过采用有效的光利用策略，全钙钛矿叠层电池可以最大限度地减少光逃逸和利用光子。根据全钙钛矿电池的特性，我们将概述几种提高光利用率的光管理策略，包括优化捕获低能光子的窄带隙钙钛矿薄膜质量，使用延长光子光路的微纳结构，设计最小化高能光子损失的多结太阳能电池，以及设计能够捕获环境光的双面结构（图5）。
图5 全钙钛矿叠层电池提高光利用
总结与展望
总的来说，与单结钙钛矿太阳能电池和其他叠层器件相比，全钙钛矿叠层电池在相当短的时间内取得了显着的进展。旨在优化性能的创新光学设计与光管理策略无疑将在全钙钛矿叠层电池的未来应用中发挥至关重要的作用。本文依据叠层电池的电流匹配原则为出发点，从降低光损失与提高光利用两个角度为全钙钛矿叠层电池量身定制了一套光管理策略，且从基本概念、材料、结构与实际光谱等角度，展望了全钙钛矿叠层电池的未来发展方向与可行策略，涉及光谱修饰、叠层彩色器件与叠层组件实际应用等多个潜在领域（图6）。我们对钙钛矿在其他领域的效率突破、大规模生产和应用潜力保持乐观，预计持续的研究和开发将导致这些技术的重大进步，使其成为光伏领域的有力竞争对手。
图6 全钙钛矿叠层电池的未来趋势和新方法
南京大学为该文的唯一作者单位和通讯单位，南京大学21级直博生刘陈帅宇，博士后高寒及22级硕士生欧文楠为论文的共同第一作者；南京大学现代工学院林仁兴助理教授、谭海仁教授为论文的共同通讯作者。本研究工作得到了国家重点研发计划、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费项目、江苏省自然科学基金、关键地球物质循环前沿科学中心“GeoX”、江苏省研究生科研与实践创新计划项目等多个项目的资助。
Light management in monolithic all-perovskite tandem solar cells | Light: Science & Applications
