双面自保护钙钛矿太阳能电池的设计与性能：面向室内垂直应用的双倍功率与自封装架构

《Small Science》：Design and Performance of Two-Sided Self-Protecting Perovskite Solar Cells for Indoor Vertical Applications

为解决室内光伏应用中单面钙钛矿太阳能电池（PSC）功率输出受限、长期稳定性不足等挑战，研究人员设计了双面自保护钙钛矿太阳能电池（2S-SP PSC）。该架构将两个独立PSC背对背封装，在相同面积下实现双倍功率输出（室内垂直配置下从24.6 μW提升至51.3 μW），并通过互封装机制显著提升稳定性。此研究为物联网（IoT）设备与建筑光伏（BAPV）提供了高效、耐用的室内能量收集方案。

　　

钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）因其高功率转换效率（Power Conversion Efficiency, PCE）和低成本制备潜力，已成为光伏领域的前沿热点。尤其在室内低光环境下，其性能显著优于传统硅基太阳能电池，非常适合为物联网（Internet of Things, IoT）传感器、智能家居设备等微型电子系统供电。然而，迈向实际应用仍面临两大核心挑战：一是传统单面钙钛矿太阳能电池只能从一个面捕获光，在室内墙壁、桌面等垂直或倾斜表面安装时，能量收集效率受限；二是钙钛矿材料对湿度、热量等环境因素极为敏感，长期稳定性不足，通常需要额外的保护性封装（如覆盖玻璃），但这会增加重量、成本且不贡献发电。

那么，能否设计一种新型结构，既能同时捕获双面光线以提升输出功率，又能自我提供封装保护以增强稳定性？这正是发表在《Small Science》上的这项研究致力于解决的问题。研究团队提出并验证了一种名为“双面自保护钙钛矿太阳能电池（Two-Sided Self-Protecting Perovskite Solar Cell, 2S-SP PSC）”的创新架构。该设计摒弃了传统的被动玻璃封装，转而将两个独立的钙钛矿太阳能电池单元背对背地键合在一起。这样，每个电池单元既作为发电元件，又充当对方的保护层，实现了发电与封装功能的合一。在垂直或倾斜配置下，这种结构能在不增加设备厚度或占地面积的情况下，将有效光捕获面积翻倍，从而有望大幅提升室内及建筑集成光伏（Building-Integrated Photovoltaics, BIPV）场景下的能量收集效率。

研究人员主要运用了几项关键技术方法来实现和验证这一构想：首先，他们采用了完全可印刷、无需空穴传输层（HTL-free）的介孔碳基AVA-MAPbI₃钙钛矿太阳能电池作为基础构建单元，这种结构成本低且适合规模化生产。其次，他们使用聚烯烃/石蜡共混薄膜或液态聚氨酯（Polyurethane, PU）树脂作为封装材料，通过真空层压或滴涂工艺将两个电池单元背对背粘合，形成自封装结构。此外，研究结合了电学性能测试（如J-V特性曲线、最大功率点跟踪）和长期稳定性测试，在模拟室内光照条件（6500 K和3000 K的LED光源，照度范围125-920 Lx）下对器件进行了全面评估。最后，通过DIALux evo软件进行室内光照模拟，量化了垂直双面配置相较于水平单面配置在典型办公室环境下的光捕获优势。

研究结果部分通过系统的实验数据和演示，清晰地展示了2S-SP PSC的优越性能：

在 “2.1 双面自封装钙钛矿太阳能电池架构概念” 部分，研究提出了核心设计理念：用第二个活性PSC替代传统的被动覆盖玻璃。两个PSC通过封装胶背对背键合，可串联或并联连接。光学模拟表明，在办公室角落垂直放置时，2S-SP PSC双面接收的光照总量（628 Lx）比单面垂直配置（364 Lx）高出72.5%，比水平单面配置（274 Lx）高出129%，证明了其在室内空间有效利用环境光线的潜力。

在 “2.2 双面自封装HTL-Free碳基钙钛矿太阳能电池架构” 部分，研究团队使用两个相同的HTL-free介孔碳基PSC（mC-PSCs）制造了2S-SP PSC原型。在1个太阳光（AM 1.5G）下单独测试两个面，均显示出约8.6%-8.9%的PCE，证明了近乎完美的双面性。在模拟室内照明下，当双面同时被照亮时，其稳定功率输出（约250 μW）恰好是单面照明（约125 μW）的两倍，确认了两个电池单元作为独立发电器件的叠加效应。

在 “2.3 面向室内应用的双面自封装HTL-Free碳基钙钛矿太阳能电池” 部分，性能对比测试给出了关键数据。在垂直照度为920 Lx的室内LED光下，传统单面玻璃封装的PSC输出功率为24.64 μW，而2S-SP PSC的输出达到51.3 μW，实现了功率翻倍。更重要的是，在环境室内条件（25°C, 30–65% RH）下存储3500小时后，未封装的参比器件功率衰减至初始值的78.7%，而2S-SP PSC的功率保持了初始值的93.2%，与采用被动玻璃封装的单面PSC（92.2%）稳定性相当，证实了其自封装提供的卓越保护效果。

在 “2.4 双面自封装HTL-Free碳基钙钛矿太阳能微型组件” 部分，研究展示了概念的应用拓展。他们制作了一个2x2的微型组件（总活性面积6 cm²），其短路电流（J_SC）和开路电压（V_OC）均约为单个2S-SP PSC的两倍，功率输出约为其四倍。该微型组件成功为一个集成温湿度传感器的电路板供电，在室内光（920 Lx）下，能够维持电池充电并为传感器周期性供电，验证了其在自供电物联网节点中的实用潜力。

研究结论与意义：本研究成功提出并实验验证了2S-SP PSC这一兼具高效发电与自封装保护的新颖架构。它通过将两个钙钛矿太阳能电池背对背集成，在垂直或倾斜配置下实现了单位面积功率输出的翻倍提升，尤其适用于室内低光环境和建筑光伏应用。其性能增益主要源于双面独立捕获光能，而非单结转换效率的内在提高。同时，双电池单元的互封装机制提供了与被动玻璃封装相当的长期稳定性（3500小时后功率保持率>93%），且该稳定性优势源于架构本身，而非特定封装材料。研究通过室内光照模拟和微型模块驱动传感电路的演示，从物理原理和系统层面证实了该方案的可行性。这项工作的意义在于，它为解决钙钛矿太阳能电池在室内应用中的功率密度和稳定性瓶颈提供了一种简洁、可扩展且与现有制造工艺兼容的创新思路，为下一代可持续室内能量收集系统和自供电物联网设备的发展奠定了重要的技术基础。