基于混合晶相ITO微纳米球透明背电极的双面钙钛矿太阳电池制备及性能提升研究

Bifacial perovskite solar cells have become a research hotspot in the photovoltaic field due to their potential cost-effective advantages, developing a high-performance transparent rear electrode with high conductivity, high transmittance and excellent surface/interface properties is of great significance and research value for improving the efficiency of bifacial device. This project will propose to build a bifacial perovskite solar cell based on mixed crystal phase ITO micro-nanospheres rear electrode, using the unique advantages of the mixed crystal phase rear electrode to achieve the front and rear efficiencies of up to 20% and 19%, respectively. The influences of different crystal phase ratios and hybrid methods on the surface/interface properties, work function, conductivity, size/scattering angle distribution and transmittance of the rear electrode will be studied; The regulation mechanism of the surface/interface properties, work function and size effect of the composite rear electrode on the energy band distribution, light capture capability, heterojunction carriers transport behavior and device performance parameters will be discussed; By analyzing the synergistic relationship between device performance parameters and the energy band, surface/interface and photoelectric properties of each component, revealing the working principle and energy loss mechanism of the bifacial device. This project will propose a new approach to high efficiency bifacial solar cells, and will also offer valuable experimental and theoretical basis for the vast applications of mixed crystal phase ITO micro-nanospheres rear electrodes in optoelectronic devices.

双面钙钛矿太阳电池凭借其潜在的高性价比优势已成为目前光伏领域的研究热点，研发兼具高透过率、高电导率及优异表/界性能的高质量透明背电极对提升电池双面效率具有重要意义和研究价值。本课题提出构建基于混合晶相ITO微纳米球透明背电极的双面钙钛矿太阳电池，拟利用混合晶相背电极独有优点实现高达20%和19%的前、后面转换效率：研究不同晶相比例和混合方式对背电极表/界面性能、功函数、电导率、尺寸/散射角分布及透过率的影响规律；探讨复合背电极表/界面性能、功函数作用及尺寸效应对电池能带分布、光捕获能力、异质结载流子输运行为及器件性能参数的调控机制；系统分析电池双向性能参数与各组分能带、表/界面及材料光电性能之间的协同关系，揭示该结构电池工作原理及能量损失机制。该项目不仅为建立高效双面太阳电池提供新方法，还将为推动高性能ITO透明背电极在光伏器件中的广泛应用奠定坚实的理论基础和实验依据。

双面钙钛矿太阳电池在继承传统结构电池卓越效率及成熟工艺基础上，凭借其独特的背向光伏效应而显示出更加广泛的应用前景，被誉为是最具发展潜力的光伏技术之一。研发兼具高透过率、高电导率及优异表面/界面性能的高质量背向窗口层对提升电池双面效率具有重要意义。在本项目支持下，我们结合0维（0D）、1维（1D）、2维（2D）材料结构及光电性能优势，采用化学共沉淀、物理超声、溶液旋涂及真空热蒸发等方法，设计并构建了具有理想光电性能的新型透明导电背向窗口层（如，混合晶相ITO微纳米球背向窗口层、0D-C QD/1D-Ag NW/2D-MoOx复合背向窗口层、2D-WS2 NS改性背向窗口层）；系统研究了合成与沉积工艺参量对背向窗口层物相结构、界面特性、能带排列、尺寸效应及光电性能的影响规律，阐明了光电平衡协同机制；研究发现，改进的背向窗口层不仅提高了双面电池的背向透光率，还增强了界面载流子提取与传输效率，从而大幅提升了电池的双向光伏性能。此外，我们系统调控了前向窗口层和钙钛矿吸光层的材料结构、界面及光电性能，探究了双面电池各组分材料的结晶与生长机理，阐明了各组分材料物理构型、能带结构、光学带隙及界面化学特性变化对电池光捕获能力、光生电荷行为及双向光伏参数之间的协同机制；研究发现，电化学腐蚀ITO/SnO2复合前向窗口层具有优异的增透效应和电子收集能力，在增强电池光吸收和光生电荷产率的同时，有效抑制了界面载流子积累与复合，显著提升了电池的光伏性能；此外，改性纹理钙钛矿吸光层凭借其优异的表面陷光效应提高了电池的背向光捕获，其界面钝化效应有效加速了载流子提取与传输，从而进一步提高了电池的各项光伏参数。最后，我们从增强电池双向效率的角度，适配性调控各组分工艺参量，最终获得了高效率的双面钙钛矿太阳电池及其具体优化方案，其前向、背向效率均接近20%。本项目提出的新型背向窗口层材料、结构与技术路线为开发更多高效、低成本双面光伏器件提供了实验与理论指导，具有十分重要的科学意义。