北卡教堂山分校黃勁松研發(fā)出強(qiáng)化屏障有效提高穩(wěn)定性

更新時間：2024-07-11 點擊次數(shù)：2120

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鈣鈦礦太陽能電池（PSC）作為下一代光伏技術(shù)的重要候選者，近年來取得了飛速的發(fā)展，其光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)接近甚至超越了傳統(tǒng)晶硅太陽能電池。然而，鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性問題依然是制約其商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵難題。

反向偏壓（reverse bias）對鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性有著重要影響，它可能導(dǎo)致鈣鈦礦材料分解，進(jìn)而影響電池的長期穩(wěn)定性。因此，理解反向偏壓對鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和性能的影響是提高電池穩(wěn)定性的重要研究方向。研究人員需要深入了解反向偏壓條件下鈣鈦礦材料的降解機(jī)制，以找到提高其穩(wěn)定性的解決方案。

研究反向偏壓下的降解機(jī)理能幫助科學(xué)家找出鈣鈦礦太陽能電池的弱點。這些研究有助于設(shè)計更加耐用的材料和結(jié)構(gòu)，以防止電池在反向偏壓條件下快速降解。同時，反向偏壓會導(dǎo)致效率損失，這主要是由于電荷載流子的再結(jié)合速率增加以及可能的滲透電流增大。了解和克服這些問題對于保持高效率運行的鈣鈦礦太陽能電池至關(guān)重要。

研究反向偏壓對電池的影響還有助于改進(jìn)封裝技術(shù)，防止環(huán)境因素（如濕氣和氧氣）在反向偏壓條件下對鈣鈦礦材料造成的影響。

近期，北卡羅來納大學(xué)教堂山分校黃勁松教授團(tuán)隊在國際頂尖期刊《Nature Energy》上發(fā)表了一項重要研究成果，揭示了鈣鈦礦太陽能電池在反向偏壓下失效的機(jī)理，并通過構(gòu)建強(qiáng)化屏障，顯著提高了鈣鈦礦太陽能電池在反向偏壓下的穩(wěn)定性。

【反向偏壓下的“致命弱點"：揭秘鈣鈦礦太陽能電池失效機(jī)制】

鈣鈦礦太陽能電池在實際應(yīng)用中通常需要承受來自外部環(huán)境的變化，例如反向偏壓，這是指電池兩端電壓反向連接，電流方向與正常工作狀態(tài)相反。傳統(tǒng)上，鈣鈦礦太陽能電池在反向偏壓下的穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致其實際應(yīng)用受到嚴(yán)重限制。

這項研究針對這一問題，對鈣鈦礦太陽能電池在反向偏壓下的失效機(jī)制進(jìn)行了深入研究。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)器件工作在反向偏壓狀態(tài)時，會發(fā)生一系列復(fù)雜的反應(yīng)和失效過程：

l 陰極注入空穴導(dǎo)致碘化物氧化: 首先，反向偏壓導(dǎo)致空穴注入到器件陰極，氧化了鈣鈦礦中的碘離子，產(chǎn)生了中性碘 (I2)。

l 碘氧化金屬電極: 隨后，生成的碘 (I2) 會與金屬電極 (例如銅) 發(fā)生反應(yīng)，腐蝕電極，導(dǎo)致金屬離子（例如 Cu+）生成。

l 銅離子遷移和還原: 產(chǎn)生的銅離子 (Cu+) 會遷移進(jìn)入鈣鈦礦層，并與電子發(fā)生反應(yīng)，生成金屬銅 (Cu)，形成局部金屬橋，最終導(dǎo)致器件短路失效。

目前，許多研究集中在通過材料工程和結(jié)構(gòu)設(shè)計來減少反向偏壓的負(fù)面影響。例如，通過優(yōu)化鈣鈦礦材料的組成和制備工藝，可以提高其對反向偏壓的耐受性。此外，先進(jìn)的封裝技術(shù)和界面層材料也在研究中，以提升電池的穩(wěn)定性和壽命。

【“銅墻鐵壁"的防護(hù)： 突破性屏障設(shè)計，大幅提升穩(wěn)定性】

為了克服這一“致命弱點"，研究團(tuán)隊針對性地提出了一種新型的“強(qiáng)化屏障"策略。他們在鈣鈦礦太陽能電池陰極側(cè)，利用鋰氟化物 (LiF)、氧化錫 (SnO2) 和氧化銦錫 (ITO) 組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，形成一層強(qiáng)化屏障：

1. 降低暗電流: LiF/SnO2/ITO 復(fù)合結(jié)構(gòu)顯著降低了器件的暗電流，阻擋了空穴注入到陰極。

2. 防止銅腐蝕: 強(qiáng)化屏障能夠有效隔絕銅電極和鈣鈦礦層，防止銅電極被腐蝕，抑制了 Cu+離子的產(chǎn)生。

3. 提升反向偏壓穩(wěn)定性: 研究人員測試發(fā)現(xiàn)，采用這種強(qiáng)化屏障策略后，器件的反向偏壓擊穿電壓顯著提升到 -20V 以上，并且器件在反向偏壓下展現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性，能夠有效防止失效。此外，采用這種設(shè)計的小型模塊在遮蔽測試下仍能保持超過 90% 的初始性能，有效提升了器件在真實環(huán)境下的使用壽命。

【鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展的新曙光： 穩(wěn)定性不再是瓶頸】

黃勁松教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊成功發(fā)表了鈣鈦礦太陽能電池在反向偏壓下的失效機(jī)制，并利用強(qiáng)化屏障策略，顯著提高了鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性，這為克服鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的難題提供了重要解決方案。

這項突破性的成果，將為鈣鈦礦太陽能電池的應(yīng)用領(lǐng)域打開更廣闊的大門，推動鈣鈦礦太陽能電池更快速地走向市場應(yīng)用。未來，黃教授團(tuán)隊將繼續(xù)探索提高鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性以及效率的新策略，為打造再生、可持續(xù)的能源體系貢獻(xiàn)力量。

這項研究對鈣鈦礦太陽能電池在反向偏壓下的失效機(jī)制進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)了其“致命弱點"。同時，研究人員通過設(shè)計強(qiáng)化屏障，成功解決了這一難題，顯著提高了器件的穩(wěn)定性。這一研究成果對于推動鈣鈦礦太陽能電池走向產(chǎn)業(yè)化具有重要的意義。

重要技術(shù)參數(shù)：

l 反向偏壓擊穿電壓: >-20V

l 關(guān)鍵技術(shù)：強(qiáng)化屏障策略

北卡羅來納大學(xué)教堂山分校_黃勁松教授

黃勁松教授是北卡羅來納大學(xué)教堂山分校化學(xué)系教授，主要從事新型光伏材料、器件的研發(fā)以及相關(guān)理論研究。他領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊，在開發(fā)先進(jìn)太陽能電池材料和器件，提高其效率和穩(wěn)定性方面做出了重大貢獻(xiàn)。他是美國能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室“能源前沿研究中心"（EFRC）——“太陽能光伏的界面科學(xué)中心" 的研究員，也曾入選“美國化學(xué)會會士"。他的團(tuán)隊在國際著名期刊上發(fā)表了300余篇高質(zhì)量學(xué)術(shù)論文，并在光伏領(lǐng)域取得了多個重要突破，推動了光伏技術(shù)的發(fā)展。

課題組主要研究方向

1. 鈣鈦礦太陽能電池：

o 研究高效鈣鈦礦太陽能電池的材料合成與制備技術(shù)。

o 探討鈣鈦礦材料的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，并開發(fā)新型鈣鈦礦材料以提高電池效率和穩(wěn)定性。

o 解決鈣鈦礦太陽能電池在環(huán)境穩(wěn)定性和長期耐久性方面的挑戰(zhàn)。

2. 有機(jī)-無機(jī)雜化光伏材料：

o 研究有機(jī)與無機(jī)材料的結(jié)合，開發(fā)出具有優(yōu)異光電性能的新型雜化光伏材料。

o 探討這些材料在太陽能電池中的應(yīng)用，提升其轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。

3. 先進(jìn)制備技術(shù)：

o 開發(fā)低成本、高效率的制備技術(shù)，包括溶液加工和大面積涂布技術(shù)。

o 探索大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用，推動鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化。

4. 光電器件物理與工程：

o 研究光電器件的工作原理和物理機(jī)理，特別是光生電荷的生成、分離和傳輸過程。

o 開發(fā)高效光電探測器和其他光電器件，推動光電技術(shù)的多領(lǐng)域應(yīng)用。

致力于推動光電材料與器件的前沿研究，并致力于實現(xiàn)其在可再生能源和新興光電技術(shù)中的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

Barrier reinforcement for enhanced perovskite solar cell stability under reverse bias_ Nature Energy2024,_ DOI:10.1038/s41560-024-01579-7

【本研究參數(shù)圖】