在《Nano Energy》期刊中，Sangwok Bae, Young Wook Noh, Dong-sun Park, Myoung Hoon Song和Suk-won Choi等研究人员发表了一篇名为“Development of Colored Perovskite Solar Cells Using Cholesteric Helicoidal Superstructures”的文章。本文发表于2022年，是关于开发使用胆甾型螺旋结构形成的彩色钙钛矿太阳能电池的一项研究。

研究背景

钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs），尤其是基于有机-无机金属卤化物的钙钛矿太阳能电池，在未来太阳能电池中被看作具有巨大前景的候选者。其高光吸收效率、低制造成本和多样化的应用场景使其在全球受到广泛关注。现如今，建材一体化光伏（Building-Integrated Photovoltaics, BIPV）领域也开始认识到钙钛矿太阳能电池的潜在价值，这得益于其低生产成本、简易的制造工艺和色彩可调性。

研究目的与创新之处

为了使钙钛矿太阳能电池在建筑光伏一体化应用中达到美观和提高能量采集效率，本文通过模仿甲虫表皮中存在的周期性螺旋结构，开发了一种基于胆甾型液晶相的反射滤光片（Cholesteric Phase-Based Reflective Filters, ChRFs），用以制造彩色钙钛矿太阳能电池。ChRFs较金属或氧化物基反射滤光片具有更易于调节反射波长、带宽和反射率的优势，并且具备更多的灵活性和可大型化应用。

研究流程

研究团队设计了两种不同的ChRFs，一种为单层胆甾型结构，另一种则包含两层胆甾型结构并夹以半波相位延迟膜。每种滤光片通过改变手性掺杂剂的含量来调节反射波长，通过调整液晶分子的双折射率来调节反射带宽，并通过简化ChRFs结构的光学设计来控制反射率。

研究对象包括不同掺杂剂含量的胆甾型相反射滤光片和钙钛矿太阳能电池。样本尺寸为： - 单层胆甾型结构滤光片（ChRF1） - 双层胆甾型结构滤光片（ChRF2）

实验方法与数据分析

具体的实验流程如下： 1. ChRFs的制备：采用商业化液晶材料（如LC242）、非液晶分子（如TMPTA）、光引发剂（如DMPAP）及手性掺杂剂（如iso(6OBA)2），通过湿法工艺设计并制备单层和双层胆甾型反射滤光片。 2. 光学特性测试：通过调节掺杂剂含量和混合比例，获得红、绿、蓝（RGB）三色色调的滤光片。通过透射光谱仪测量宽带和窄带ChRFs的反射率和色度坐标。 3. 太阳能电池性能测试：将ChRFs贴附在钙钛矿太阳能电池的透明基底上，进行一太阳光照下的电流-电压（J-V）测试和外部量子效率（EQE）测试。

数据分析表明，窄带宽ChRFs（尤其是双层结构滤光片）的反射率接近90%，显著优于单层结构滤光片的45%。在钙钛矿太阳能电池上应用ChRFs后，尽管存在一定的功率转换效率（PCE）损失，但ChRF2能够提供更高的色彩饱和度和更广的颜色范围。

主要结果和结论

1. 单层结构ChRFs的反射率为45%，而双层结构ChRFs的反射率接近90%。RGB颜色的峰值波长为630、540和460 nm，带宽均小于50 nm。
2. ChRFs使得钙钛矿太阳能电池的PCE有所下降，但单层结构的损失小于10%，双层结构的损失则接近20%。尽管如此，双层结构的滤光片提供更佳的色彩表现，适合需要高美学效果的应用场景。
3. ChRFs由于使用完全有机组分与湿法工艺，在柔性和尺寸上的应用不受限制。在多次弯曲测试中，柔性钙钛矿太阳能电池保持了稳定的性能。

研究亮点

1. 创新的胆甾型相反射滤光片：模仿自然界甲虫表皮结构，首次成功利用胆甾型相反射滤光片制造彩色钙钛矿太阳能电池。
2. 灵活的设计和制造方法：基于有机材料和湿法工艺，易于调节反射波长和带宽，且适用于大面积和柔性设备。
3. 多功能应用：开发的彩色钙钛矿太阳能电池在BIPV等建筑应用中，既能提高能量采集效率，又能提供多样化的美学效果。

研究意义

该研究不仅提供了一种新型彩色钙钛矿太阳能电池的实现方案，还通过将自然界高效的光学结构应用于太阳能电池设计，开创了钙钛矿太阳能电池在建筑美观和功能一体化的新方向，具有广泛的应用前景和重要的科学意义。