彩色钙钛矿硅叠层太阳能电池的光电热耦合评估

《Optical Materials》：Coupled Optical Electrical Thermal Assessment of Colored Perovskite Silicon Tandem Solar Cells

　　

•可调涂层使叠层太阳能电池呈现鲜艳色彩，同时保持低损失。•彩色4T和2T架构将标准测试条件（STC）下的功率损失限制在9%以下。•全球能量产出地图优化了不同颜色设计所需的涂层厚度。•隔热安装方式下温度可达156°C，而独立支架则保持在100°C以下。•涂层设计在美观性、能量产出和热负载之间实现了成功的平衡。

引言

随着城市规模不断扩大和密度不断增加，可持续发展的需求日益迫切。将光伏（PV）技术集成到建筑环境中，提供了一种变革性解决方案，能够在电力需求发生的位置直接进行就地发电[1]。鉴于建筑约占全球终端能源消耗的30%和能源相关排放的26%，建筑代表着减少环境影响的重大机遇[2]。将光伏组件纳入建筑设计，既能应对能源挑战，又能提升城市景观的美观度，使太阳能技术兼具实用性和视觉融合性[3]。光伏系统，特别是彩色光伏和建筑一体化光伏（BIPV）的潜力，体现在其日益增长的市场采用率上。全球预测显示，到2030年，该市场将达到867亿美元，其增长受到可持续性和美观基础设施双重需求的驱动[4]。然而，太阳能电池传统的黑色或深蓝色外观，当融入城市景观时，往往会造成为视觉上的不协调和单调感。这激发了人们对彩色太阳能电池的兴趣，旨在弥合能源发电与增强美观性之间的鸿沟[5]。这些组件有可能通过改造可再生能源基础设施，将其转变为与建筑环境相得益彰的视觉吸引力整合元素，从而革新可持续建筑[6]。

太阳能电池传统上优化以实现最大光吸收，偏好深色以减少反射并提高能量转换效率[7]。在太阳能电池中引入鲜艳的[8]视觉差异化色彩，提出了复杂的光学挑战，因为需要在维持高性能所需的高吸收与实现特定审美品质之间取得平衡[9]、[10]。传统上，用于太阳能电池制造中的半导体材料的固有特性限制了其颜色选择范围[11]。然而，材料科学和器件工程的最新进展促进了具有更广泛鲜艳且可定制颜色的太阳能电池和PV组件的开发[12]、[13]。彩色光伏允许将PV组件直接整合到建筑围护结构中，不仅作为发电机，还可作为遮阳设备、窗户、天窗和立面等建筑元素[14]、[15]。此外，这一趋势已超越建筑领域，彩色光伏有望将太阳能技术集成到电动汽车（EV）乃至可穿戴电子设备中，可能增加电动汽车续航并实现太阳能供电服装[16]、[17]。在这两种应用中，颜色定制能力可以提升用户偏好，促进太阳能技术的更广泛采用。然而，至关重要的是确保色彩表达带来的美观益处不以显著的能量损失或系统稳定性降低为代价[10]。为应对这一挑战，研究人员探索了多种用于修改彩色太阳能光伏光学特性的新概念[18]。将色彩融入PV组件可通过涂层、有色玻璃、着色薄膜和发光材料等多种方法实现[19]。这些技术本质上涉及折中，导致功率转换效率降低，即功率损耗[20]。

多项研究考察了颜色对光伏（PV）电池运行性能的影响。表1总结了PV组件中采用的主要着色技术，突出了其潜在机制、集成方法以及对美观和功能应用的适用性。这些包括通过掺杂氧化物实现的有色玻璃、使用EVA或PVB层的着色封装材料、以及具有工程化带隙的半透明活性PV层。其他策略包括基于多层薄膜的干涉涂层、表面改性彩色电池、以及重新发射移位波长光的发光太阳能聚光器（LSCs）。后制造着色方法，如清漆或印刷覆盖层，提供了灵活性但耐久性较低。每种方法都能实现建筑一体化和/或彩色PV应用中的美观整合，但对光学性能和稳定性的影响各不相同。G?k?en等人[25]研究了使用滤光片进行后制造着色对土耳其恰纳卡莱省气候条件下单晶硅和多晶硅光伏（PV）面板电气性能的影响。他们采用红、蓝、黄、绿四种彩色滤光片，评估每种电池类型对能源产量、效率和面板温度的影响。特别地，黄色滤光片使两种材料都获得了最高功率输出和最低面板温度。这可归因于黄色滤光片的频谱范围，它传输大部分太阳光谱，同时阻挡红外（IR）和紫外（UV）区域。研究结果表明，黄色滤光片的平均电生产效率高5.94%。绿色滤光片紧随其后，平均效率为5.53%。相反，红色和蓝色滤光片的发电量较低（平均效率分别为5.02%和4.72%），相应地，生产效率也较低。Gah等人[26]在受控实验室环境中使用光源模拟器，研究了滤光片和阻隔膜对太阳能电池板效率的独立影响。他们的研究结果表明，使用纳米薄膜可将效率提高高达14%。所采用的方法比较了非过滤PV系统与包含40%太阳能阻隔膜以及黄色、紫色或红色彩色滤光片的系统性能。结果表明，40%太阳能阻隔膜与特定彩色滤光片（可能是黄色）的组合，与未过滤对照系统相比，可将PV面板的输出功率提高高达7.81%。此外，Gasonoo等人[27]探索了通过使用氮化钛（TiN）和氮化铝（AlN）薄膜进行干涉涂层来着色的应用。由于折射率差异显著，AlN和TiN代表了用于此目的的有前景且经济的光学材料。他们采用射频磁控溅射技术实现多层结构的均匀目标厚度。值得注意的是，TiN/AlN多层结构为实现所需颜色提供了更优越的设计灵活性，同时比AlN/TiN配置具有更经济的制造过程。通过使用涂覆氧化铟锡（ITO）的玻璃基板与TiN/AlN多层结构叠层，成功实现了蓝、绿、黄彩色玻璃，其令人印象深刻的光学透过率超过80%，进一步证实了这一方法的可行性。对于叠层结构，光谱过滤或吸收的方法可能会强烈干扰子电池电流平衡，因此这里优先考虑基于干涉的前表面设计。在已建立的光伏着色方法中，基于干涉的抗反射涂层通过波长依赖的前表面反射变化来修改反射外观。在叠层器件中，相同的光学重新分布也会改变到达钙钛矿和硅吸收体的光子通量，从而可能改变其光电流平衡。这使得颜色状态的电气后果取决于终端架构以及涂层厚度和入射角[22]、[28]、[29]。

钙钛矿/硅叠层可以实现2T或4T电气架构。在单片2T器件中，钙钛矿和硅子电池通过互连层串联连接并共享共同的工作电流。因此，电流较低的结会限制叠层输出，使得两个吸收体之间的相对光电流平衡成为重要的设计条件。2T架构提供紧凑的双端子输出、单片集成以及可能更简单的组件级电气互连。这些特性对于彩色BIPV应用很重要，例如立面覆层、屋顶元件、雨棚、阳台组件、遮阳板和百叶窗，这些应用需要同时实现受控外观和紧凑电气集成。车辆集成光伏代表了进一步的潜在应用。在4T叠层中，两个子电池电气独立，可以接近各自的最大功率点运行。这放宽了严格的电流匹配要求，并提供了对波长依赖光学重新分布更大的容忍度，但需要额外的透明接触、光学界面、布线和独立功率提取。因此，首选架构取决于光学容忍度、电气集成和应用需求之间的平衡[30]、[31]。

本研究针对彩色钙钛矿硅叠层的一个实际设计问题：什么MgF2厚度能提供建筑上可用的颜色集，以及当纳入入射角可变性、2终端（2T）电流匹配和安装依赖的温度升高后，能量产出损耗如何。其贡献是单一工作流程，将（i）干涉驱动的反射与感知颜色指标、（ii）子电池光子电流平衡与2T与4T功率、以及（iii）温度驱动的性能校正与全球能量产出映射联系起来。输出是针对一组可制造的MgF2厚度的特定气候和安装选择地图。本研究重点研究抗反射涂层（ARC）厚度变化和入射角如何影响4终端（4T）和2终端（2T）叠层配置的光电行为，如图1a和1b所示。反射颜色显示随入射角变化，由薄膜干涉效应控制。通过全面模拟，我们评估了自由支架（FS）和低热损失（Ins）安装条件下两者的颜色感知、能量产出和热性能（图1c和1d）。此外，我们将分析扩展到标准测试条件之外，以评估不同全球气候区的性能。

使用介质抗反射层进行厚度控制着色是一种成熟的光学方法，并非在此作为新的颜色生成机制呈现。在本研究中，MgF2抗反射层（ARC）被用作可控光学变量，以研究干涉引起的反射外观变化如何影响子电池光电流平衡，进而影响2T和4T钙钛矿-硅叠层架构的功率响应。这些光学状态进一步在两种对比热边界条件下以及既有的柯本-盖格光伏（KGPV）基于气候的能量产出框架内进行评估。因此，主要贡献在于光学、电气、热和气候依赖架构敏感性的耦合分析，而非基于抗反射涂层的着色本身。

方法

在本研究中，我们使用耦合光学-热-电气模拟评估了抗反射涂层对钙钛矿-硅叠层太阳能电池的光学和电气影响。我们使用了三重阳离子钙钛矿Cs?.??(FA?.??MA?.??)Pb(I?.??Br?.??)?，与广泛报道的高带隙吸收体组成一致，适用于叠层集成[31]、[32]。Cs的掺入稳定了α相并提高了热耐受性。这一精确化学计量比定义了折射率

结果与讨论

本节研究器件美观性与性能之间的相互作用，从2T和4T配置下器件颜色与电气输出的关系开始。随后分析FS和Ins安装设置的热性能，接着是全球潜在地图比较各配置间的能量产出。最后，评估基于纬度的全球能量产出和电池温度平均值，突出了彩色叠层太阳能电池的优化权衡。

结论

本研究调查了MgF2厚度在彩色钙钛矿-硅叠层太阳能电池中的耦合光学、电气、热和气候依赖效应。MgF2厚度被用作可控光学变量，通过薄膜干涉产生不同反射颜色状态，并研究其对2T和4T叠层运行的影响。研究结果证实了反射颜色与光伏性能之间的权衡，主要通过反射变化以及由此产生的CRediT作者贡献声明

Shahzada Pamir Aly：写作 – 审阅与编辑、软件、资源。Bhaskar Parida：写作 – 审阅与编辑、可视化、形式分析。Usman Haider：写作 – 审阅与编辑、可视化。Baloji Adothu：写作 – 审阅与编辑、调查。Omar Albadwawi：写作 – 审阅与编辑、可视化、形式分析。Ahmer A.B. Baloch：写作 – 原稿撰写、可视化、软件、方法论、调查、形式分析、概念化。Vivian Alberts：写作 – 数据声明

支持本研究结果的数据可从通讯作者处请求获取。

生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的声明

在准备本工作的过程中，作者使用了Microsoft Copilot以提高语言清晰度并简化格式。使用该工具后，作者审阅并编辑了内容，并对出版物的内容承担全部责任。

利益冲突声明

? 作者声明他们不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能影响本论文报告的工作。

致谢

作者衷心感谢迪拜电力和水务局（DEWA）研究与发展中心提供资源、设施和技术指导，这些对完成本研究至关重要。

Ahmer A.B. Baloch | Omar Albadwawi | Bhaskar Parida | Shahzada Pamir Aly | Baloji Adothu | Usman Haider | Vivian Alberts