|
近日，上海交大韩礼元团队在国际高水平期刊Nature Energy发表了钙钛矿太阳电池稳定性的最新进展。韩礼元教授和王言博助理教授为论文的通讯作者，博士生林雪松、硕士生苏弘桢与华东师范大学的硕士生何思凡、宋也男副研究员为共同第一作者。是继续此前在Science上发表的钙钛矿/电荷传输层稳定异质结构技术（Science 365, 687–691, 2019）后的又一进展。 金属卤化物钙钛矿太阳电池因其高效率、低成本的优势，获得了新能源领域的广泛关注。然而，有机无机杂化的钙钛矿离子晶体在工况条件下易发生卤素离子的移动（分解），迁移离子易与功能层（电荷传输层、电极材料等）发生负面反应，进一步加速钙钛矿的分解并导致功能层失效，缩短器件寿命。以上问题已成为钙钛矿太阳电池技术的发展瓶颈。 
图1 合金电极原位生长的石墨烯质量及层数调控 
图2 钙钛矿太阳电池器件结构及性能 该工作为钙钛矿太阳电池设计了一种新型碳化合金复合电极及相关界面层材料，实现了高效且稳定的钙钛矿器件。 铜的合金化（镍）在增强其自身电化学稳定性的同时，可通过组分工程方便的调节功函数，以适用于不同结构的钙钛矿太阳电池。更为重要的是，铜镍合金恰是原位制备高质量石墨烯的理想材料，从而可在合金电极上下表面形成对外界水、氧与内部原子、离子的物理阻隔层。该复合电极通过具有导电网络的热塑性粘合层，在热压辅助下，与电荷传输层形成良好的界面欧姆接触，从而制备了高效稳定的电荷传输层/电极异质结构。基于复合电极良好的化学惰性与优异的物理阻隔特性，电池内部的负面反应与钙钛矿的分解均得到强效抑制。最终，该团队制备的钙钛矿器件获得了24%以上的高效率，在连续光照条件下工作5000小时后效率几乎不衰减。 
图3 器件稳定化机理分析 
图4 基于不同电极的钙钛矿太阳电池的稳定性 该项成果为钙钛矿太阳电池的电极设计提供了新的思路，对于推进钙钛矿太阳电池产业化具有重要意义。韩礼元团队承担了科技部国家重点研发计划“万小时工作寿命的钙钛矿太阳电池关键技术”子课题“万小时长寿命的电池关制备和系统研究”。现阶段成果为最终实现课题目标10000小时稳定性打下了坚实的基础。 来源：上海交通大学
科企岛：钙钛矿晶硅两端叠层太阳电池研究取得进展 作为实现全球碳中和的光伏领域的重要分支，晶硅太阳电池技术由于具有产业成熟、制造成本低、材料可靠性高等优势，市场占有率超过95%。然而，晶硅太阳电池的功率转换效率正在接近29.4%的Shockley-Queisser极限，由于能量不匹配光子和电学复合的存在（Auger, Shockley-Read-Hall等），提升单结太阳电池效率将会越来越困难。最简易的方法是使用不同带隙的吸收材料来吸收不同能量的光子，这可以减少高能电子的热损失，最经济的方法是两端钙钛矿/晶硅叠层太阳电池。数值计算表明，使用带隙为1.72eV的钙钛矿与1.12eV的晶硅结合，理论上叠层效率可以高达43%。从Mailoa等人首次报道13.7%效率的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池，到目前柏林亥姆霍兹中心实现的29.8%效率世界纪录，仅仅用了6年时间。 
最近上海交通大学物理与天文学院太阳能研究所研究组在【Journal of Materials Chemistry A 10, 10811-10828 (2022)】发表了两端钙钛矿/晶硅叠层太阳电池：进展、挑战和机遇的综述论文。论文将文献报道的钙钛矿/晶硅叠层太阳电池根据其串联方式分为平面结构、单绒面结构、保形全绒面结构和机械堆垛结构，并对其制备方案（双源共蒸发+溶液法、旋涂法、刮涂法、狭缝涂布法和物理堆垛法）的优劣进行了评估。从最佳的实验光谱响应和模拟的光学特性得出结论：保形全绒面结构比其它三种结构具有更高的功率转换效率理论上限，给出了保形全绒面结构的优化方向。进一步回顾了叠层电池的实际应用指标，包括大面积制造、稳定性和双面性问题。该综述论文为钙钛矿/晶硅叠层太阳电池的实验探索和数值模拟提供了一个全新的视角，并将为光伏产业的可持续发展做出贡献。 同时应邀在碳中和领域首本综合性国际学术期刊【Carbon Neutrality 1, 9-(1-16) (2022)】首期上综述了钙钛矿/晶硅叠层太阳电池数值仿真领域的进展，系统探讨叠层电池的模拟方法、光管理和能量产出。在模拟方法部分，总结了当前太阳电池数值计算方法的三大进展，包括方法集成、建模优化和参数校正。对于光管理，指出绒面结构对于单结和双结电池都是有益的，并创新性地说明了准保形结构可以获得与保形结构非常相似的光学特性，此外准保形结构还有利于钙钛矿的制备。对于能量产出话题，创新性地指出，天气、地点和时间等影响钙钛矿/晶硅叠层太阳电池能量产出的根本原因是光谱变量。在双面情况下，还需要考虑由反射率和钙钛矿带隙造成的电流失配损失。 此外，课题组在【Journal of Power Sources 540, 231622 (2022)】发表了双面钙钛矿/晶硅两端叠层太阳电池电流匹配损失的计算方案。由于电流匹配损失的存在，给双面钙钛矿/晶硅叠层太阳电池性能计算和器件设计提出了巨大挑战。论文从双面子电池的光伏性能出发，通过分析双面照明下子电池的电流特性，根据严格的能量平衡原理建立双面子电池和双面串联电池之间的数值关系，提出了一种计算双面叠层电池电流匹配损失的可行方法，得出了双面钙钛矿/晶硅叠层太阳电池在不同钙钛矿带隙和反照率下的光伏性能。通过与现有实验数据的比较，证明了该方法的可靠性。我们进一步预测了双面串联太阳能电池在全球不同纬度应用的能源产量和损失，并提出了提高能源产量和降低能源成本的可能解决方案。 
课题组在【Solar RRL 6, 2100781 (2022)】以封面论文形式发表了双面钙钛矿/晶硅两端叠层太阳电池性能优化与能量产率提升的研究成果。论文优化了不同晶硅厚度、金字塔绒面高度和太阳光反照率下双面钙钛矿/晶硅两端叠层电池的光伏性能。研究发现，晶硅底电池的厚度可以从目前的250微米降低到25微米，只需增加18.6%的反照率即可弥补吸收损失。论文指出100 微米厚的晶硅是合适的选择，并优化了硅金字塔的尺寸 (1微米)以获得出色的光捕获性能。进一步的双面钙钛矿/晶硅两端叠层太阳电池能量产率计算发现，在取得匹配的太阳光反照率后，反照率增加对双面钙钛矿/晶硅叠层太阳电池能量输出的贡献几乎可以忽略不计。论文工作对双面钙钛矿/晶硅两端叠层太阳电池的开发提供基础。
|
