隨著鈣鈦礦太陽能電池(PSCS)技術(shù)的不斷成熟，其在光伏建筑一體化和可穿戴器件中的應(yīng)用前景激發(fā)了人們對于彩色鈣鈦礦太陽能電池的濃厚興趣，人們開始設(shè)想開發(fā)彩色太陽能電池以滿足前述應(yīng)用中的審美需求。但如何將可見光寬波段吸收且具有高吸光系數(shù)的鈣鈦礦材料構(gòu)筑成高性能的彩色太陽能電池仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。

鈣鈦礦電池廣泛的光學(xué)吸收和較大的吸收系數(shù)通常會導(dǎo)致呈現(xiàn)為深棕色的高效率電池。目前，已有兩種代表性的方法來實(shí)現(xiàn)彩色PSC：

(1)帶隙工程;

(2)結(jié)構(gòu)顏色。

圖1. (網(wǎng)絡(luò)版彩色)兩種典型的鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖.

(a) 介觀結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池;

(b) 平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池

由于與增大的帶隙相關(guān)的光學(xué)吸收會減弱，前一種方法通常會導(dǎo)致功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)值顯著降低(通常小于13%)。

后一種方法利用了圖案結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的工程光學(xué)特性，從而生成明亮和耀眼的結(jié)構(gòu)顏色。盡管在為實(shí)現(xiàn)較高效率的彩色PSC電池付出了巨大的努力，但高效彩色PSC電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

具有顯著光子結(jié)構(gòu)的二維圖案化納米碗陣列先前被用于電子傳輸層(ETL)來制造有效的PSC，但所獲得的PSC僅顯示出暗褐色或深棕色，這可能與鈣鈦礦涂層完全填充納米碗有關(guān)。

最近，北京大學(xué)科學(xué)家李明琦研究小組采用了一種新的策略，通過將均勻的鈣鈦礦薄層精細(xì)地沉積到排列的NBS中，在不影響其光子性質(zhì)的情況下，作為一種結(jié)構(gòu)ETL來制備彩色PSC。

他們成功地將TiO2-Nb陣列用作光子ETL，與CH3NH3PBi3的均勻薄覆蓋層集成，從而實(shí)現(xiàn)了高效率的彩色鈣鈦礦太陽能電池。通過Lewis酸堿加合方法制備了一種基于乙酸鉛的新晶體前體薄膜，該方法允許前體薄膜均勻地沉積在TiO2-NBS的內(nèi)壁上，并隨后形成均勻的優(yōu)質(zhì)鈣鈦礦晶體覆蓋層。

使用納米碗陣列制作的鈣鈦礦太陽能電池繼承了周期結(jié)構(gòu)的光子特性，在光照下呈現(xiàn)出與角度相關(guān)的生動色彩(圖2)。

圖2. 基于納米碗陣列的彩色PSC

這些彩色PSC表現(xiàn)出顯著的光伏性能，最高效率達(dá)16.94%，平均效率為15.47%，高于目前報(bào)道的所有彩色PSC。

通過對圖案化納米陣列結(jié)構(gòu)的精細(xì)控制和鈣鈦礦薄膜沉積工藝的優(yōu)化，有望進(jìn)一步提高基于納米碗陣列的彩色PSC的性能。這項(xiàng)研究將為開發(fā)高效彩色鈣鈦礦太陽能電池開辟一條新的途徑，其應(yīng)用前景廣闊，包括建筑集成光伏。