背对背双结太阳能电池：面向高效双向光捕获的新型双面架构

《IEEE Journal of the Electron Devices Society》：Back-to-Back Two-Terminal Tandem Solar Cells for Enhanced Bidirectional Light Harvesting

　　本刊编辑推荐：为解决传统双面太阳能电池对后向反射光利用不足的问题，研究人员开展了“背对背双结太阳能电池”的主题研究。该研究通过在前、后表面分别集成独立的二端子(2T)串联子电池堆栈，实现了对直射光和反射光谱的独立优化。模拟结果表明，该架构在雪面等高反照率表面可实现高达47%的等效效率和73%的双面效率增益(BEG)，为下一代高效双面光伏技术提供了新的设计范式。

　　

在追求更高能量转换效率的征程中，太阳能电池技术不断突破单结器件的物理极限。双面太阳能电池应运而生，它能够同时捕获照射到正面的大阳光和从地面反射到背面的反照光，从而在相同的模块面积下产生更高的电流密度和能量输出。然而，传统的双面串联电池通常只在前侧有一个针对直射光优化的串联堆栈，对来自背面、光谱成分已发生变化的反射光的利用效率有限。这成为了进一步提升双面电池性能的一个关键瓶颈。

为了解决这一挑战，来自达卡大学的研究团队在《IEEE Journal of the Electron Devices Society》上提出了一种颠覆性的设计——背对背双结太阳能电池。该架构的核心创新在于，它并非在电池两面简单地放置单结电池，而是将两个完整的、独立优化的二端子(2T)串联太阳能电池以“背对背”的方式机械堆叠在一起。这就好比给太阳能电池装上了“前后双引擎”，每个引擎都针对各自接收到的光进行了专门调校。

为了验证这一新颖构想的可行性，研究人员采用了专业的一维太阳能电池电容模拟器(SCAPS-1D)进行详细的数值仿真。他们构建了两个核心的2T串联子模块：面向正面的顶部2T串联电池，由宽禁带(1.60 eV)钙钛矿FA_0.83Cs_0.17Pb(I_0.83Br_0.17)₃与硅异质结(SHJ)底电池组成，专门用于吸收AM1.5G太阳光谱。面向背面的底部2T串联电池则是一个全钙钛矿结构，由相同的宽禁带钙钛矿与窄禁带(1.20 eV)钙钛矿FA_0.75Cs_0.25Pb_0.5Sn_0.5I₃组成，其光谱响应特性针对典型地面（如土壤、沙地、混凝土、雪）的反照光谱进行了优化。两个串联子电池通过环氧树脂键合进行机械堆叠，并通过中间氧化铟锡(ITO)层实现电学连接，模拟中假设隧道复合结是理想的，没有寄生吸收或载流子复合损失。研究的关键步骤包括对各个独立子电池的仿真模型进行实验数据校准以确保准确性，以及通过精细调节各吸收层厚度来实现每个2T串联结构内部的电流匹配，从而最大化效率。

校准独立子电池

研究首先对构成串联结构的各个独立子电池的仿真模型进行了校准，使其电流密度-电压(J-V)曲线和外部量子效率(EQE)与文献报道的实验数据高度吻合，为后续串联结构的可靠模拟奠定了基础。

2T串联电池的输出特性

模拟结果显示，在电流匹配前，顶部2T串联电池（照射AM1.5G光谱）的能量转换效率(PCE)为23.70%，其短路电流密度(J_SC)受限于底部硅异质结子电池的电流。底部2T串联电池的性能则强烈依赖于地面类型，在反照率(R_A)为100%的条件下，其在雪面上的PCE最高，为25.52%。通过优化吸收层厚度实现电流匹配后，顶部2T串联电池的PCE提升至27.09%，底部2T串联电池在雪面上的PCE也稳定在25.52%。

所提出架构的性能

在同时考虑正面和背面照明时，该双面架构的整体性能用等效效率(η_eq)和双面效率增益(BEG)来评价。当安装在反照率为100%的雪面上时，该电池的等效效率高达47.00%，BEG达到73.25%，显著高于传统设计。对于沙地、混凝土和土壤等反照率较低的表面，其性能也表现出明显的优势。

性能基准对比

研究人员还将该设计与文献中报道的先进双面串联电池进行了性能对比。在30%、60%和90%的反照率条件下，该设计分别实现了35.2%、40.7%和49.0%的PCE，全面超越了对比的钙钛矿/钙钛矿和钙钛矿/硅双面串联结构，证明了其卓越的光捕获能力和设计优势。

综上所述，这项研究通过引入背对背双结的创新架构，成功地实现了对直射光和地面反射光的最大化利用。该设计的核心优势在于其灵活性：前、后的串联结构可以独立地进行能带隙优化、光学滤波和角度光管理，从而针对特定的安装环境（如高反照率的雪地或低反照率的土壤）进行定制。数值模拟结果令人振奋，尤其是在高反射表面展现出的近50%的等效效率潜力，为突破现有光伏效率天花板指明了新的方向。这项工作不仅提出了一种高性能电池的具体设计方案，更重要的是开创了一种“双面皆串联”的新设计范式，极大地增强了下一代双面太阳能电池的性能潜力和应用 versatility（多功能性），对降低光伏系统的平准化度电成本(LCOE)和推动其更广泛应用具有深远意义。