发电玻璃是建筑一体化光伏(BIPVs)的一个重点研究方向。对BIPVs而言最重要的是兼顾颜色、光电转换效率(PCE)和发电玻璃的长期稳定性。有鉴于此，Sung-Yeon Jan(通讯作者)和Young Rag Do(通讯作者)利用非周期性SiO2/TiO2多层结构实现了彩色(红、绿、蓝——RGB)钙钛矿太阳能电池(PSCs)的制备。RGB-PSCs的PCE分别为18.0%、18.6%和18.9%，相比对照组 (黑色)20.1%仅减少了10%、7%和6%。此外，基于TiO2对紫外光的阻挡作用，PSCs的光稳定性得到显着提升（30%→65%）。当太阳能电池板有多个颜色的时候，我想还会激发出设计者更大的想象空间！
【文章背景】
钙钛矿材料因其光电学性能优异、吸光系数高、载流子迁移率高等优点受到国内外科研工作者的广泛关注。利用钙钛矿材料制备的钙钛矿太阳能电池（PSCs）近日已取得25.2%的认证效率。此外在建筑一体化光伏(BIPVs)应用方面，PSCs相比传统薄膜太阳能电池（如：α-Si、CdTe、CIGSe、有机太阳能电池等）具有成本低廉和颜色可调的优势。
为了实现“零耗能建筑”的终极目标，应用于BIPVs中的太阳能电池不应仅限于楼层顶部，还应当包括建筑外墙和发电玻璃。传统硅基太阳能电池只利用了建筑的顶层，超过其两倍的建筑面积没有得到有效利用。考虑到建筑外观体现城市的文化和宗教特征，因此在光伏电池的选择上，对于建筑外墙的利用除了光电转化效率和电池寿命外，还应当考虑光伏电池的颜色。
尽管硅基电池具有很高的光电转化效率和理想的稳定性，然而要为硅基电池着色却非常困难。为了应对该挑战，颜色可调的PSCs已成为其中较为理想的选项和研究方向。截至目前，已有报道基于组分调控、等离子体共振、光子晶体及微腔工艺的半透明PSCs。然而与传统（黑色、非透明）PSCs相比，上述电池的光电转化效率普遍较低。为了解决颜色和电池性能难以兼顾的问题，基于CIGSe电池上已有报道：利用周期性SiO2/Al2O3和SiO2/TiO2多层结构反射特定波段的光，实现电池颜色的调控。
此外，为了令PSCs能够长期应用于BIPVs，需要在各种环境条件下，如化学、热、湿度和紫外线(UV)照射下保证其稳定性。利用封装技术可以提高PSCs的化学稳定性、热稳定性和水分稳定性。然而封装无法显着提高PSCs的紫外稳定性。考虑到太阳能电池对紫外线的吸收是不可避免的，近年来人们尝试了各种滤除紫外线、提高器件长期紫外稳定性的方法。其中添加紫外线阻挡层是最简单的方法，包括引入紫外线吸收材料和在PSCs上使用紫外线反射层。
基于此，作者通过开发非周期性的TiO2（高折射率）和SiO2（低折射率）多层纳米膜，实现了窄带宽反射膜（NBRFs）的显色和紫外光的截止。利用上述NBRFs，1. 获得了彩色(R, G, B)-PSCs；2. 电池性能损失较小(<10%)；3. 电池的在持续光照下的稳定性得到显着提升（30%→65%）。
【研究内容】
为了确保PSCs性能损失较少的前提下赋予其颜色，作者在PSCs的玻璃的一侧设计了不同类型的NBRFs。其结构如图1所示，包括由TiO2和SiO2组成的周期性结构和非周期性结构。其中TiO2的折射率为2.31， SiO2的折射率为1.45。
图1 窄带宽反射膜（NBRF）示意图（a）周期性结构，（b）非周期性结构
利用薄膜的光学干涉可以有选择性地赋予NBRFs对特定波长光的反射能力。如图2a, b所示，作者通过理论计算得到：通过控制两种薄膜（折射率不同）的厚度，其颜色（周期性结构和非周期性结构）可以得到有选择性的调控（紫、蓝、青、绿、黄、橙、红）。图2c为相应薄膜的色系坐标，相比于周期性结构，非周期性堆叠的薄膜的色域更广。此外，通过调控薄膜的厚度和层数，也可以实现反射光半峰宽的调控。如图2d, e所示是利用“OpenFilters”软件模拟绿光反光膜半峰宽随膜厚和堆叠层数的变化规律。其中半峰宽为30 nm的样品对应的堆叠层数和膜厚分别为26层和5310 nm；半峰宽为90 nm的对应的堆叠层数和膜厚分别为14层和2540 nm。由此可知，通过增加堆叠层数和膜厚，可以获得单色性很好的反射薄膜。单色性好意味着更少的能量反射，对于提升光的利用率具有重要意义。
图2利用高、低折射率薄膜交替堆叠的（a）周期性堆叠，（b）非周期堆叠，（c）相应色系坐标；（d，e）半峰宽与NBRF薄膜堆叠层数和膜厚的关系的光学反射模拟值。
基于上述模拟计算结果，如图3所示为作者制作的三色（R, G, B）反射薄膜的反射光谱、透射谱和相应的色系坐标。结果表明：在特定光的反射上，上述薄膜的反射率均能超过90%；且对于其它波段的光，薄膜的透光能力依旧能维持在90%以上。图3c所示色系坐标中观察到实验结果相比计算模拟的色域略窄。导致该现象的原因可能是测试过程中衬底（玻璃）对光的反射，该推论也可从图3d计算和实验结果相符得以证明。
图3 非周期性反射薄膜的（a）反射光谱，（b）透射光谱，（c-d）相应色系坐标的计算模拟和实验对比。
众所周知，一维多层纳米薄膜的颜色会随着观察角度的变化而发生改变。如图4所示为上述RGB反射薄膜在不同观测角度下测得反射光谱和相应样品的光学照片。结果表明：随着观察角度的增加，样品的反射峰和颜色均发生了蓝移。
图4 （a, d）R-NBRFs，(b, e)G-NBRFs, (c, f)B-NBRFs的反射谱和颜色随观察角度的变化关系。
基于模拟结果，作者在G-NBRF衬底上优化了反射薄膜的反射半峰宽。
如图5所示为调控厚度后G-NBRF衬底反射半峰宽的反射谱、透过谱和响应色系坐标。由此可知，通过调控薄膜的厚度和堆叠层数，作者在实验上也实现了对G-NBRF反射半峰宽的调控。
图5 不同半峰宽的G-NBRF的（a）反射光谱；（b）归一化波长-反射曲线；（c）色系坐标；（d）透过光谱；（e）色系坐标。
随后，作者将未经过半峰优化的NBRF衬底用于PSCs的制备，如图6所示为RGB三色NBRF衬底制备的PSCs的J-V曲线、EQE、反射光谱、色系坐标和PSCs性能衰减对比。可以看到相比对照组（不做作色处理，黑色样品，PCE = 20.1%），电池的光电转化效率和短路电流（Jsc）均有着不同程度的衰减（PCE: B-6%, G-7%, R-10%; Jsc：B-7%,G-7%, R-9%）。由PSCs的EQE和反射光谱可知，导致性能衰减的原因是入射光量子数的减少。
图6 基于RGB-NBRF衬底（a）对应PSCs的J-V曲线，（b）外量子转化效率（EQE）,（c）反射光谱，（d）色系坐标，（e）电池效率衰减程度，（f）电流密度衰减程度。
为了获得尽可能多的入射光，作者在上述结果的基础上优化了G-NBRF反射膜的反射半峰宽。如图7所示为调控膜厚的反射膜的反射光的半峰宽、色系坐标、PSC的J-V曲线和EQE。通过对半峰宽的优化，作者将电池的性能（PCE = 18.6%）进一步提升至19.2%，相比对照组（PCE = 20.1%）仅有4.5%的衰减。
图7 不同半峰宽的NBRFs反射膜的（a）反射光谱和光学照片，（b）色系坐标，（c）相应PSC的J-V曲线，（d）EQE。
最后，为了进一步阐述使用TiO2作为反射薄膜材料的优势，如图8所示，作者对比了分别使用TiO2和Al2O5制备的NBRF的PSC的PCE、反射光谱和EQE。可以看到相比于Al2O5-NBRF在紫外光波段（290-380 nm）明显的光透过能力（~90%），TiO2-NBRF对紫外光有着非常优异的光截止能力（＜380 nm，~100%截止）。同时在PSCs的稳态输出功率上，基于TiO2-NBRF的PSCs在持续光照下的性能有着显着改善（30%→65%）。
图8 （a）持续光照下PSC的归一化PCE；（b）PSC在最大输出功率电压下的PCE；（c）使用Al2O5和TiO2的NBRF反射膜的透射光谱；（d）EQE。
Gang Yeol Yoo, Randi Azmi, Changwook Kim, Woong Kim, Byoung Koun Min, Sung-Yeon Jang, and Young Rag Do, Stable and Colorful Perovskite Solar Cells Using a Non-Periodic SiO2/TiO2Multi-Nanolayer Filter,ACS Nano. DOI:10.1021/acsnano.9b03098
