增强反向偏置条件下钙钛矿太阳能电池稳定性的策略
如果单个太阳能电池被遮蔽，而同一模块中的其他电池没有被遮蔽，则阳光照射的电池会试图驱动电流通过被遮蔽的电池，从而导致温度升高并可能损坏电池。这些情况使被遮蔽的电池处于一种称为反向偏置的状态，这会使太阳能电池不稳定，并随着时间的推移其性能下降。北卡罗来纳大学教堂山分校的研究人员最近推出了一种新策略，可以提高钙钛矿太阳能电池(PSC) 在反向偏置条件下的稳定性。该策略在《自然能源》杂志上发表的一篇论文中概述，可以促进钙钛矿基光伏 (PV) 未来在现实环境中的部署。
“太阳能电池的反向偏压稳定性或遮蔽引起的不稳定性最近才引起光伏界的关注，”该论文的通讯作者 Jinsong Huang 告诉 Tech Xplore。“被遮蔽的电池会受到未被遮蔽的其余电池施加的较大反向偏压。对于 PSC，据报道，反向偏压引起的不稳定性在过去要严重得多。”
众所周知，钙钛矿电池的光活性层比其他现有光伏电池薄得多。因此，这种类型的电池中反向偏置条件下产生的电场可能要大得多。
“钙钛矿中臭名昭著的离子迁移也使它们在反向偏压下稳定性大大降低，”黄说。“在大多数先前的研究中，据报道，PSC 在几伏的反向偏压下几秒到几分钟后就会损坏或退化。如果这个问题得不到解决，未来的钙钛矿模块将需要许多旁路二极管来保护它们，从而推高其制造成本。”
在回顾以前的文献时，黄和他的同事发现一些 PSC 在反向偏压条件下明显更稳定。这促使他们研究这种更高稳定性的机制，希望设计出一种有效的方法来稳定钙钛矿电池。
“反向偏压下的退化很复杂，因为它会随偏压、持续时间、钙钛矿质量和器件堆叠而变化，”黄解释说。“在这项研究中，我们选择了 pin 结构的 PSC，因为它们在我们之前的研究中表现出良好的运行稳定性。我们使用了优化的钙钛矿成分来最大限度地减少其他可能的退化途径。”
Huang 和他的同事对 PSC 施加了各种反向偏压值，同时改变了器件堆栈。然后，他们仔细检查了器件中发生的情况，并试图确定他们观察到的现象是否与器件的性能有关。
“通过这样做，我们能够识别设备内部的退化机制，”黄说。“我们仔细区分了退化行为与击穿和逐渐退化。前者发生在短时间内的高反向偏压下，而后者发生在较长时间内的低反向偏压下。”
Huang 和他的同事进行的实验产生了有趣的结果。具体来说，他们揭示了一系列与反向偏置条件下 PSC 降解有关的电化学反应。
这些反应会产生碘，进而导致电池中铜电极的腐蚀。这一过程反过来又引发了太阳能电池的故障和退化。
“受所学知识的启发，我们使用了氟化锂/氧化锡/氧化铟锡的器件堆叠，这也使器件在光和热下保持稳定，以抑制反向偏压下的碘形成和电极腐蚀，”黄说。“通过这样做，改性 PSC 的寿命在 -1.6 V 的反向偏压下可以长达 1,000 小时。如此出色的性能确实让我感到惊讶，因为一年前我从未想过它们会如此稳定。”
该研究团队的成果可能很快会为更稳定的钙钛矿光伏电池的开发提供参考，从而有助于其未来的大规模商业化。现在他们的研究项目已经完成，黄和他的同事希望进行进一步的研究，旨在确定PSC反向偏置稳定性的上限。
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