摘要：如今，电能已经延伸到人类生活和生产中的方方面面。然而热力发电厂、光伏发电站、水利发电站等电力生产设施基本都远离人烟，遥远的输配电距离，既增加了成本也造成了电能输运损失。建筑光伏一体化（BIPV）技术将太阳能电池集成到建筑物结构中，可以将建筑物墙面、屋顶、窗户等
如今，电能已经延伸到人类生活和生产中的方方面面。然而热力发电厂、光伏发电站、水利发电站等电力生产设施基本都远离人烟，遥远的输配电距离，既增加了成本也造成了电能输运损失。建筑光伏一体化（BIPV）技术将太阳能电池集成到建筑物结构中，可以将建筑物墙面、屋顶、窗户等转换为发电装置，实现电能的就地生产和消耗，可以极大减少电能输运损失并扩大扩大清洁能源的占比。但传统太阳能电池单调的色彩难以满足建筑物的美学设计要求，彩色太阳能电池技术的发展成为BIPV应用的关键。
近日，北京航空公航天大学黄建媚团队受孔雀羽毛光子晶体结构色的启发，利用人工反蛋白石光子晶体结构化的钙钛矿薄膜制备出具有鲜艳虹彩效果的太阳能电池，同时基于正反两面双向透明电极的设计，实现了虹彩效果的双向展示和双面光吸收能力，显著提升了电池的美学效果和功率输出密度。相关研究工作以“Inverse Opal Photonic Crystal Structured Bifacial-Iridescent Efficient Perovskite Solar Cells and Modules”为题发表在《AM》期刊。
[反蛋白石光子晶体结构的钙钛矿薄膜形貌]
纳米结构引起的可视化色彩广泛存在于大自然当中，比如孔雀羽毛中存在的周期性纳米结构的光子晶体可以对光产生强烈的干涉效果，使其在光照下展现出鲜艳的结构色彩。人工制备的蛋白石和反蛋白结构同样具有周期性的纳米结构，能够对光进行可控调制，实现虹彩效果。黄建媚团队成功制备出具有反蛋白石结构的钙钛矿（IO钙钛矿）薄膜，并结合ITO正面透明电极和超薄Au背面透明电极，设计出了能够从正反两面同时吸收光照的双面太阳能电池，从而实现高效率，同时该电池可以在正反两面展现虹彩效果，大大拓展了太阳能电池在BIPV、汽车天窗等多功能发电系统中的适用性。
图1 (a) 孔雀羽毛及其微观光子晶体纳米结构；(b) 2D蛋白石及(c)反蛋白石结构示意图；(d) 2D反蛋白石结构钙钛矿薄膜制备流程示意图；(e) 双面虹彩太阳能电池及组件实物图；(f) 双面虹彩太阳能电池双向光照示意图及其在建筑窗户的应用示意图。
黄建媚团队通过扫描电子显微镜对反蛋白石结构钙钛矿薄膜的形貌进行了详细和深入的表征，结果表明成功制备出了具有六边形紧密堆叠周期性纳米孔洞结构的蜂窝状反蛋白石钙钛矿薄膜。该薄膜周期晶格尺寸约为1012 nm，孔洞尺寸约为840 nm，蜂窝骨架厚度约为170 nm。
图2 (a, b) 聚苯乙烯蛋白石模板、(c, d) 反蛋白石钙钛矿薄膜及(e, f)普通平板钙钛矿薄膜扫描电镜图像；(g-m) 反蛋白石钙钛矿薄膜元素分布。
[反蛋白石光子晶体结构的钙钛矿薄膜及电池器件的光学性能]
之后研究团队对IO钙钛矿薄膜的晶体结构、缺陷密度及光学性能进行了系统性表征。结果表明IO钙钛矿薄膜具有更好的结晶性、更低的缺陷水平和更好的载流子传输性能。由于IO钙钛矿薄膜截面上材料折射率是缓慢连续变化的，显著减少了功能层界面的菲涅尔反射。更重要的是，IO钙钛矿薄膜在15°-45°不同观察角度下展现出深紫色、亮绿色、土黄色等丰富的绚丽色彩，并且薄膜正反面具有高度一致的颜色效果。角分辨的反射光谱测试表明IO钙钛矿薄膜在大约500-650nm的波长范围内产生一个明显的反射峰，并且该反射峰与入射光角度高度相关，这阐明了IO钙钛矿薄膜色彩演变的来源。此外，在大约600-750 nm范围内产生了一个低反射的慢光子区域，这有利IO钙钛矿薄膜对光的吸收和利用。
图3 (a) 平板和IO钙钛矿薄膜XRD表征；(b) 玻璃基底和(c)SnO2基底上的光致发光（PL）光谱；(d, e) PL 强度mapping；(f) 瞬态荧光光谱；(g) 折射率分布示意图；(h) 聚苯乙烯模板、平板和IO钙钛矿薄膜在不同观察角度下的数码照片及(i)大尺寸下的虹彩效果实物图；角分辨反射光谱(j)测试装置示意图及(k)不同入射角下的反射光谱。
随后，黄建媚团队以IO钙钛矿薄膜作为光吸收层，设计制备了正式结构的双面虹彩太阳能电池及组件，并且IO钙钛矿薄膜的优异光学性能及绚丽色彩在电池器件中得到了完整保留。电池器件的正反两面在不同观察角度下展现出高度一致的丰富色彩，这种色彩在电池组件的大面积尺度上得到了更好地体现。
图4电池器件(a)结构示意图及(b)扫描电镜截面；(c)折射率分布示意图及(d)电池反射光谱；(e)电池正反两面不同观察角度下的数码照片；(f) 电池组件正反两面的虹彩效果；(g) 电池器件不同观察角度下的颜色坐标分布；(h) 电池器件角分辨反射光谱。
[双面虹彩太阳能电池及组件性能]
得益于正面和背面双向透明电极的设计，双面虹彩太阳能电池可以从两面进行光吸收，由此获得了18%的双面等效效率，这一效率在当前的多彩（或虹彩）太阳能电池中处于最高水平。所制备的5电池串联组件实现了12.77%的双面等效效率，表明了该虹彩太阳能电池大面积制备的可行性。
图5电池器件(a)效率及(b)短路电流密度统计分布；(c)非透明背电极及透明背电极的IO 钙钛矿太阳能电池J-V曲线；(d) 双面虹彩太阳能电池光照示意图；双面虹彩太阳能电池正面和背面光照下的(e)J-V曲线及(f)效率统计分布；(g) 单色和多彩（或虹彩）太阳能电池效率对比；(h) 双面虹彩太阳能电池组件正面和背面光照下的J-V曲线。
[总结]
黄建媚团队利用人工反蛋白石光子晶体角度依赖的独特光学性能，制备出了基于物理结构色的虹彩钙钛矿薄膜，并通过双向透明电极的设计，发展出一种具有绚丽色彩的双面虹彩太阳能电池。该电池具备双面美学效果和高光电转换性能，能够满足BIPV等其他多功能发电系统的应用需求，进而大大拓展太阳能电池的使用场景，提升能源系统中清洁能源的占比。
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来源：谈理说科学
