使用发光下移纹理减反射薄膜的美观高效钙钛矿/硅串联太阳能电池

钙钛矿基串联电池正在成为新型光伏（PV）电池，其效率超过了单结电池的效率极限。需要高效率的建筑集成光伏电池很有吸引力，但美学在这些城市应用中起着关键作用。美学PV电池*具挑战性的问题之一是颜色调谐引起的效率折损。在这里，我们**展示了基于使用具有ultraviolet-selective吸收LDS染料的纹理发光降移（LDS）薄膜的无损全色可调PV电池。LDS抗反射（AR）薄膜通过减少钙钛矿薄膜上方层由于LDS效应引起的寄生紫外吸收损失和由于纹理表面引起的细胞反射造成的损失，提高了钙钛矿/硅串联电池的效率。因此，使用LDSAR薄膜进行颜色调整可用于为城市应用生产高度美观和高效的PV单元。

关于用于BIPV和VIPV应用的高效串联单元，使用LDS染料的颜色调谐优于使用结构颜色的颜色调谐。顶部和底部单元之间的电流匹配对于实现高效串联单元至关重要，但是使用结构颜色的颜色调谐会导致顶部单元中的光吸收损失（甚至依赖于颜色），从而导致电流匹配失败。此外，串联单元中的表面纹理化可以有效地减少宽波长范围内的光反射，25但是使用结构颜色的颜色调谐与纹理表面不兼容。另一方面，可以通过使用LDS染料的无损颜色调谐来保持电流匹配，这与高效串联单元的表面纹理化是兼容的。

在本研究中，我们选择了紫外吸收LDS染料（1,10-菲咯啉）三[4,4,4-三氟-1-（2-噻吩基）-1,3-丁二烯基]铕（三）（Eu（TTA） 3Phen）用于红色发射，三（2-苯基吡啶基）铱（三）（Ir（ppy）3）用于绿色发射，4,40-Bis（9-ethyl-3-carbazovinylene）-1；4,40-Bis（9-ethyl-3-carbazovinylene）-1,10-联苯基（BCzVBi）用于蓝色发射。使用分散良好的染料在厚（>200μm）聚（乙烯-共乙酸乙烯酯）（EVA）主体聚合物薄膜中，成功获得了LDS染料的高吸收和PLQY。光学分析证实了所有红、绿、蓝发射薄膜LDS的紫外选择性吸收、高PLQY和高颜色纯度。此外，通过简单直观地混合红、绿-表面织构LDS薄膜附着在钙钛矿/硅串联电池上进行增强现实和颜色调节。由于增强现实效应，表面织构薄膜的钙钛矿/硅串联电池的PCE从20.24%显著提高到22.62%，相对提高了11.8%。*后，通过向纹理增强现实薄膜中引入LDS染料，**成功实现了无损红色（PCE相对提高22.89%，13.1%）、绿色（PCE相对提高22.51%，11.2%）和蓝色（PCE相对提高23.00%，13.6%）串联电池。

发光下移位薄膜制造抛光结晶

Si晶片在KOH/IPA溶液中蚀刻形成无规金字塔织构Si晶片。抛光的扁平Si晶片和无规金字塔织构Si晶片在180℃下湿润处理3小时。EVA（200mg/mL）单独或用LDS染料（Eu（TTA） 3Phen为1mg/mL，Ir（ppy）3为0.1mg/mL，BCzVBi为0.2mg/mL）溶解在氯苯中。将1mL EVA溶液滴到3cm 3cm的扁平Si衬底上，在室温下干燥1天。然后在扁平Si上干燥的EVA薄膜在100C下加热30分钟以去除任何残留的氯苯。冷却后，将干燥的EVA薄膜从扁平Si上剥离，得到独立的扁平EVA薄膜。为了制备倒金字塔-中织构EVA薄膜，将EVA溶液以500rpm旋转涂覆到无规金字塔织构硅晶片上60 s。然后将EVA旋转涂覆的无规金字塔织构硅衬底在100C下加热10分钟。在100C下加热的同时，将独立的扁平EVA薄膜层压到EVA旋转涂覆的无规金字塔织构硅衬底上。冷却后，剥离在无规金字塔织构硅衬底上的干燥EVA薄膜，以获得独立的倒金字塔织构EVA薄膜。用LDS染料溶液的EVA以与上述方法相同的方式制备带有LDS染料的EVA薄膜。

钙钛矿/硅串联太阳能电池的制造和测量

钙钛矿/硅串联太阳能电池的制造和测量如文献中所述。23,43紫外光稳定性和光稳定性分别在无封装的室温下和无封装的室温/35 RH%环境空气中进行了测试。器件分别暴露在开路条件下的紫外光和AM 1.5 G光下。VL-6.LC（Vilber） 365 nm紫外光灯用于紫外光稳定性测试，LSH-7320（Newport）发光二极管太阳能模拟器用于串联太阳能电池的光稳定性。紫外光强度用TM-213紫外-AB计（Tenmars）校准为20 mW/cm ²。

表征

厚度用表面轮廓仪（A-step 250，KLA TENCOR仪器）测量。PL和PLE光谱用荧光计（Cary Eclipse，Varian）测量。PLQY用分光荧光计（FP-8500ST，Jasco International）测量。扫描电镜图像是使用10kV操作的Nova NanoSEM 230（FEI）获得的。透射率和反射率光谱是使用带有漫反射附件的紫外-可见-近红外光谱仪测量的（安捷伦科技公司DRA的卡里5000）。使用光谱仪（HR2000+，海洋光学公司）和光纤测量了AM 1.5G模拟太阳光下太阳能电池的光谱。

图1A显示了EVA、Eu（TTA） 3 Phen、Ir（ppy）3和BCzVBi的化学结构。EVA作为LDS增强现实薄膜的主体聚合物是因为它具有高透明度（即使在紫外光范围内）、易于与有机溶剂和热处理以及染料在EVA中的高溶解度，这导致染料在EVA薄膜中的良好分散而不聚集。红色、绿色和蓝色发光染料，即Eu（TTA） 3 Phen、Ir（ppy）3和BCzVBi，分别被用作具有高色纯度和高PLQY的有机发光二极管中的发光染料。事实上，选择Eu（TTA）3Phen、Ir（ppy）3和BCzVBi是因为它们吸收UV范围内的光，但很少吸收可见光范围内的光。EVA和LDS染料都可溶于有机溶剂（例如氯仿、氯苯和四氢呋喃），这简化了LDS薄膜制造过程，并支持染料在EVA薄膜中的均匀分散。LDS薄膜是通过在基板上用染料简单干燥EVA溶液来制备的。薄膜LDS的厚度可以通过EVA浓度、溶液体积和基板面积来控制。通过从大Si衬底的氟化表面分离厚LDS膜可以很容易地获得大的独立LDS膜。平坦和纹理LDS膜的厚度分别为206和240μm。当染料浓度高于临界点时，在EVA中观察到染料的聚集以及雾度的增加。EVA中Eu（TTA） 3Phen、Ir（ppy）3和BCzVBi的浓度分别优化为0.50、0.05和0.10重量%。图1B显示了钙钛矿/硅串联电池与LDS具有紫外选择性吸收的增强现实薄膜无损调色的示意图。当阳光用具有紫外选择性吸收的LDS增强现实膜照亮钙钛矿/硅串联电池时（图1B），*初被顶部透明电极和电子传输层吸收的紫外光可以被LDS染料吸收。紫外光吸收后，Eu（TTA） 3Phen、Ir（ppy）3和BCzVBi在钙钛矿/硅串联电池的内部和外部发出红色、绿色和蓝色光。PV电池内部发出的光有助于钙钛矿/硅串联电池的额外光吸收，外部发出的光可以用来调节钙钛矿/硅串联电池的颜色。由于LDS染料的紫外光吸收能力和EVA的高透明度，32,33LDS增强现实膜可以在可见光和红外范围内保持高透明度，同时有效吸收紫外光。

图1紫外选择性吸收LDSAR薄膜.（A）EVA、Eu（TTA） 3 Phen、Ir（ppy）3和BCzVBi的化学结构。（B）钙钛矿/硅串联电池紫外LDSAR薄膜的示意图。（C）纹理EVA的60倾斜扫描电镜图像和钙钛矿/硅串联电池的横截面扫描电镜图像（比例尺：500纳米）。

图2 EVA薄膜中LDS染料的光学性质.（A）EVA薄膜中Eu（TTA） 3 Phen、Ir（ppy）3和BCzVBi的归一化PLE和PL光谱以及AM 1.5 G太阳光谱的光子通量。（B）CIE色度图中Eu（TTA）3 Phen、Ir（ppy）3和BCzVBi的PL光谱颜色坐标的表示。（C）在模拟太阳光下分别具有Eu（TTA）3 Phen、Ir（ppy）3和BCzVBi的红色、绿色和蓝色发射的LDS薄膜的照片。（D）通过混合Eu（TTA）3 Phen、Ir（ppy）3和BCzVBi获得的具有各种颜色发射的LDS薄膜的照片。（E）通过LDS染料的选择性排列拍摄各种彩色LDS薄膜的花形发光照片。F I G U R E 1紫外选择性吸收LDSAR薄膜。（A）EVA、Eu（TTA） 3 Phen、Ir（ppy）3和BCzVBi的化学结构。（B）钙钛矿/硅串联电池紫外LDS增强现实薄膜的示意图。（C）纹理EVA的60倾斜扫描电镜图像和钙钛矿/硅串联电池的横截面扫描电镜图像（比例尺：500纳米）。