近日，北京航空航天大学副教授黄建媚和团队开发出一种彩色钙钛矿太阳能电池，它基于反蛋白石光子晶体物理结构色原理打造而来，具有鲜艳的虹彩效果，并刷新了彩色电池效率最高世界记录，兼具高效与美学双功能。
（来源：Advanced Materials）
据介绍，本次研究利用反蛋白石纳米结构对可见光的调制作用及其角度依赖的光学特性，成功实现了单一电池器件多种色彩效果的呈现。这种物理结构色不依赖于钙钛矿的成分，使得窄带隙彩色钙钛矿太阳能电池成为可能，从而能够保证较高的光电转换效率。这种反蛋白石结构还能产生独特的减反射效果和慢光子效应，从而能够提高电池器件对光的吸收和利用。
此外，他们还设计了双向透明电极结构。一方面实现了电池虹彩效果的双面呈现，拓展了彩色电池应用场景。另一方面拓展了电池的光吸收面积，提高了电池器件的功率输出密度。
（来源：Advanced Materials）
宏大的科学设想需要以实际应用来落地和发展，研究团队开展本次课题的初心在于实现太阳能电池的多功能、多场景应用。在可以预见的未来里，该成果可以在建筑光伏一体化比如光伏幕墙和智能窗户、交通工具比如汽车天窗、市政设施比如道路护栏等场景得到推广应用。未来，通过柔性化技术突破，该成果可被进一步拓展用于无人机、飞艇等长航时太阳能航空器，为低空经济、航空航天领域提供能源、美学与多任务需求的解决方案。
图 | 黄建媚（来源：黄建媚）
通过物理色原理构建高效率彩色太阳能电池
据了解，传统的光伏电站大多建立在偏远的山区、荒漠等地方，而人类的能源消耗集中在城市，远距离的电力传输不仅造成能量损耗，也增加了建设和维护成本。基于此，光伏建筑一体化（BIPV，Building Integrated Photovoltaic）系统应运而生，其核心理念在于将光伏发电元件与建筑物实体进行融合，使得建筑物墙面、屋顶、窗户等转换为发电装置，为建筑物提供部分能源供给，实现“开源”。同时，光伏组件将太阳能转换为电能，进行光管理，可以大大降低建筑物的温度，减少空调制冷负荷，具有显著的“节流”效应。
然而，普通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和创新成为光伏建筑一体化应用的关键。
一般的彩色钙钛矿太阳能电池大多依赖于钙钛矿成分诱导的化学色原理，通过调控宽带隙钙钛矿材料的吸光范围，实现特定的可视化色彩。但是，基于这种化学色原理的太阳能电池由于吸光能力受到限制，导致其光电转换效率偏低，且只能呈现单一的特定色彩。总的来说，当前彩色太阳能电池仍然面临光电转换效率偏低、可视化色彩种类受限等关键问题，因此，研究团队致力于通过物理色原理构建高效率彩色太阳能电池。
（来源：Advanced Materials）
在 15°-45° 不同观察角度下，呈现出多种色彩
黄建媚表示，大自然是地球几十亿年演变而来的精妙设计师，通过仿生设计人类发明了各种新奇实用的事物，而大自然还有数不尽的神奇和奥秘值得人们去探索和发现。由纳米结构产生的绚丽色彩在鸟类、昆虫等生物中有着广泛存在，比如孔雀羽毛的鲜艳色彩就是由其中的周期性纳米结构化的二维光子晶体所产生。这种光子晶体由周期排列的黑色素棒和填充的角蛋白构成，通过改变黑色素棒的间距和层数可以产生不同的色彩效果。
由此，研究团队设想能否将这种纳米结构的光子晶体引入到太阳能电池中，开发基于物理结构色的彩色太阳能电池。经过广泛的调研，他们发现目前最常见的人工光子晶体是蛋白石和反蛋白石结构，蛋白石结构由六边形紧密排列的纳米小球阵列构成，而反蛋白石结构则由紧密排列的纳米孔洞以及间隙填充的固体材料构成，它们的光学性能相似，并具有高度的角度依赖性，在不同的光入射角度条件下，可以显示出差异很大的色彩效果。因此，他们决定采用蛋白石和反蛋白石结构进行彩色太阳能电池的设计和开发。
黄建媚表示，钙钛矿太阳能电池通常由前透明电极、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、背电极五个部分构成，这些功能层的厚度从几十纳米到几百纳米不等。而能够针对可见光进行调节的光子晶体周期尺寸通常在几百纳米到数微米之间，只有钙钛矿吸光层的厚度能够与这一尺寸相当。
因此，研究团队提出将钙钛矿吸光层进行光子晶体结构化设计，使用聚苯乙烯微球阵列作为蛋白石结构模板，然后通过溶液旋涂法制备出了具有周期性纳米结构的反蛋白石结构钙钛矿薄膜。与设计方案预期一致的是，这种薄膜表现出绚丽的虹彩效果，在 15°-45° 不同的观察角度下，呈现出紫色、绿色、黄色等多种色彩。随后，他们使用这种反蛋白石结构钙钛矿薄膜作为光吸收层，制备出了完整的太阳能电池器件，令人惊喜的是，反蛋白石结构钙钛矿薄膜的绚丽色彩和优异光学性能在电池器件尺度得到了完整保留。
在最初的电池结构中，他们使用不透明的金属银作为背电极，借此发现银电极的金属光泽和不透明属性会严重削弱电池器件的彩色效果，并且仅能从前透明电极一侧观察到微弱的色彩，使得反蛋白石钙钛矿薄膜的虹彩效果大打折扣。
鉴于此，他们结合团队前期在超薄金属透明电极方面的技术积累，提出采用具有高透明度的超薄金属作为背电极，设计出了双向透明电极的彩色太阳能电池新结构。新结构电池能够展现出双向的虹彩效果，具有更高的美学价值，能够适应更加多样化的使用场景比如用于建筑物窗户和汽车天窗等，而且能从双向进行光吸收和利用，从而可以显著提升受光面积，增强电池器件的功率输出密度。此外，他们还设计了实用化的彩色电池组件，让电池的虹彩效果在大面积组件尺度上得到了更加出色的体现，同时也让这种彩色电池的实用化潜力得到了充分证明。
（来源：Advanced Materials）
而在制备聚苯乙烯微球蛋白石模板的时候，研究团队采用了气-液-固界面自组装的方法，使得聚苯乙烯微球在水面形成单层蛋白石光子晶体模板，然后将其转移到电池的玻璃基底上。一开始由于经验不足，他们始终无法获得大面积连续的微球蛋白石模板，并且聚苯乙烯微球经常沉入水底，使得研究一度陷入僵局。经过一段时间的经验积累之后，他们针对传统气-液-固界面自主装方法进行优化改进，最终探索出微球蛋白石模板的大面积制备方法，并在电池组件上得到应用。
反蛋白石纳米结构的光学性能具有很强的角度依赖性，这也是其虹彩效果的根源，因此对于角度依赖的反射光谱性能和色彩捕捉非常关键。但是，这也大大增加了本研究的操作难度，普通的光谱设备不具备变角度光谱测试能力，经过多方咨询和海量搜索，他们最终联系上了能够满足测试需求的合作单位，完成了本次研究的一个关键数据图。
最终，相关论文以《反蛋白石光子晶体结构的双面虹彩高效钙钛矿太阳能电池及模组》（Inverse Opal Photonic Crystal Structured Bifacial-Iridescent Efficient Perovskite Solar Cells and Modules）为题发在 Advanced Materials[1]。邹胜文是第一作者，黄建媚担任通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）
下一步研究团队将继续拓展彩色电池的效率边界，提升彩色电池效率和色彩丰富性，也会开展部分实用化研究，更加直观地展示其在建筑光伏、太阳能飞行器等场景下的多功能应用。
参考资料：
1.https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202420130
运营/排版：何晨龙
