【背景介绍】

近年来，聚光钙钛矿太阳能电池（CPV-PSCs）因其低阱密度和高载流子扩散长度而在聚光光伏领域引起广泛关注。然而，在10~100个太阳光照射下，低能光子会转化为热量，导致器件温度升高，不仅会降低光伏电池效率，而且使有机-无机杂化钙钛矿分解。因此，CPV-PSCs的热不稳定性是一个迫切需要解决的问题。其中，全溴化CsPbBr₃在所有钙钛矿材料中具有最佳的稳定性，在CPV-PSCs中具有巨大的应用潜力。然而由于CsPbBr₃禁带宽度为2.3 eV，只能吸收波长< 540 nm的光，其余光子能量都将以热能形式浪费。因此，将热电发电机（TEGs）与碳基CPV-PSCs相结合，有望实现余热回收和输出增效。

【成果简介】

近日，山东科技大学碳中和研究院段加龙副教授为通讯作者在“Solar RRL”上发表了一篇名为”Heat Management Strategy for All-inorganic, Full-Spectral Concentrator CsPbBr₃/Bi₂Te₃ Integrated Solar Cells”的文章。他们报道了碳基全无机CsPbBr₃太阳能电池在5个太阳下的功率转换效率（PCE）高达10.08%，而在1个太阳下的PCE为8.94%。研究表明效率提高主要归因于CsPbBr₃的准费米能级劈裂放大，使开路电压（V_OC）提高到1.643 V。随后将Bi₂Te₃热电模块集成到电池中吸收碳电极余热，在聚光光照条件下发挥制冷剂的作用。该CsPbBr₃/Bi₂Te₃系统利用光伏-热电原理实现了12.46%的PCE和2.114 V的超高V_OC。更重要的是，未封装集成器件在5个太阳照射150小时后仍能保持90%以上的初始效率，表明热管理策略对于提高钙钛矿/热电集成光伏器件效率有很大潜力。

【核心创新点】

1. 在五个太阳光照强度下，由于准费米能级劈裂放大，聚光碳基CsPbBr₃器件的PCE可提高至108%，V_OC可提高至1.643 V。
2. 为有效率用碳电极在聚光条件下产生的有害热，构建CsPbBr₃/Bi₂Te₃集成光伏器件，利用光伏-热电原理实现了46%的PCE和2.114 V的超高V_OC。
3. 未封装集成器件在5个太阳强度照射150小时后仍能保持90%以上的初始效率，表明热管理策略可显著提升器件的环境耐久性。

【图文概览】

图1 (a)常规器件、聚光器件以及费米能级分裂示意图。(b) ~ (e)在光照强度范围为0.015 ~ 15个太阳下电池器件的光伏数据。(f)电池器件在5个太阳照射下的J-V特征曲线。© 2022 The Authors

图2 碳电极表面温度在不同光强下随着(a)照射时间以及(b)环境温度的变化情况。(c)1个太阳照射下器件J-V曲线对温度的依赖性。(d) PCE以及(e) R_s和R_rec随温度的演变。(f)器件J-V曲线对光照时间长度的依赖性。(g) CsPbBr₃薄膜在不同光强和温度下的吸光度。(h)加热和冷却过程中载流子重组路径示意图。© 2022 The Authors

图3 CsPbBr₃/Bi₂Te₃集成光伏器件(a)结构示意图，(b)能带图以及(c)等效电路图。(d) Bi₂Te₃ TEG在不同温度下的I-V曲线和输出功率曲线，冷却温度控制在25 ℃。(e)优化后CsPbBr₃/Bi₂Te₃集成光伏器件在不同温度下的J-V曲线。© 2022 The Authors

图4 (a) 带有1个TEG底单元的CsPbBr₃/Bi₂Te₃集成光伏器件在5个太阳照射下的J-V特性曲线以及(b)稳态功率输出。(c) 带有6个TEG底单元的CsPbBr₃/Bi₂Te₃集成光伏器件在5个太阳照射下的J-V特性曲线以及(d)稳态功率输出。(e) 带有6个TEG底单元的CsPbBr₃/Bi₂Te₃集成光伏器件在5个太阳强度下连续照射150 h的PCE变化过程。© 2022 The Authors

【结论】

综上所述，通过CsPbBr₃/Bi₂Te₃集成光伏器件，利用光伏和热电原理将太阳能最大限度地转化为电能。在聚光照射下，超过540 nm的入射光被碳电极转化为热能，在Bi₂Te₃底单元之间形成温差，服从塞贝克效应产生热电电压。此外，该集成装置在高湿、高温和高辐照条件下表现出优异的稳定性。上述集成太阳能电池的性能高度依赖于光强和热电转换装置，在光学设计上应制定更多的策略，以平衡聚光和热利用，促进未来CPV-PSC-TEG技术的发展。

文献链接：https://doi.org/10.1002/solr.202200570