工程方法可以提高钙钛矿太阳能电池在反向偏置条件下的稳定性

Josiah02

基于钙钛矿的太阳能电池正逐渐走向商业化，钙钛矿是一种用途广泛的材料，具有良好的光电特性。虽然这些太阳能电池与现有的太阳能电池设计相比具有显著的优势，包括更高的能量转换效率和更低的制造成本，但人们发现它们的性能在反向偏置条件下会受到严重损害。
当串联太阳能电池板中的一个电池被遮蔽并产生较少的电力时，就会发生反向偏置。其余发光电池会向被遮蔽的电池施加反向电压，试图将电流推向错误的方向。这会导致被遮蔽的电池严重退化。
华盛顿大学、科罗拉多大学博尔德分校、莱斯大学和牛津大学的研究人员最近开发了一种新策略，可以帮助提高钙钛矿基太阳能电池在高反向偏压下的稳定性。他们提出的方法发表在《自然能源》杂志上，依赖于一种独特的设备架构，该架构结合了聚合物空穴传输层和电化学稳定的背面电极。
华盛顿大学化学教授、论文指导作者 David S. Ginger 告诉 Tech Xplore：“我们曾听 Mike McGehee 就反向偏压稳定性的重要性以及他的团队对此的理解发表了鼓舞人心的演讲。当时，Fangyuan Jiang 正在完成一个项目，正在寻找一个新项目，我们一致认为这个问题可能与我们的一些研究很契合，特别是我们的表面钝化，以稳定钙钛矿/电极界面并降低离子电导率。”
最初，研究人员尝试使用表面钝化技术来稳定钙钛矿太阳能电池，但这种方法被证明是无效的。该论文的主要作者江随后提出了他们新提出的策略背后的想法，他们首先在华盛顿大学进行了测试，然后与加州大学博尔德分校的 Michael D. McGehee 及其团队以及莱斯大学的 Aditya Mohite 教授团队和牛津大学的 Henry Snaith 教授团队合作进一步分析了该策略。
“我们通过两个步骤设计太阳能电池：使用坚固的聚合物空穴传输材料来阻止电子注入；使用电化学稳定的电极材料来防止金属氧化，”江解释说。“我们认为，反向偏压下的早期电池退化是由注入的电荷载体引发的电化学过程。”
江、金杰和同事们发明的新型工程方法可以调节导致太阳能电池在反向偏压下早期退化的电化学反应。这反过来又可以在相对较高的反向偏压下稳定电池。
“我们的方法可能最适合包含旁路二极管的太阳能电池模块设计，就像许多硅太阳能电池模块的情况一样，”金杰解释道。“我认为这给人带来了一些希望，即人们可能能够设计出在通过反向电流时也能稳定的全钙钛矿堆栈，尽管这可能更具挑战性。”
研究人员利用他们的工程策略制造了新的 pin 太阳能电池并评估了它们的性能。他们发现这些电池在较大的反向电压下仍能保持稳定，与传统硅基电池所能承受的电压相当。
“我们证明了钙钛矿太阳能电池本质上对反向电压并不不稳定，”金杰说。“我认为这对很多人来说确实是一种思维方式的改变。此外，我们的研究表明，我们需要整体思考：关键不在于某个界面，而在于设计整个设备堆栈。”
Ginger、Jiang 及其同事取得的令人鼓舞的成果可能会鼓励其他团队尝试他们提出的设计策略。这可能有助于开发在反向偏置条件下稳定的更可靠的钙钛矿太阳能电池。
“我认为我们研究的重要性不仅仅限于太阳能电池，因为我们的工程策略可以成为其他光电子器件（如光电探测器和发光二极管(LED)）的灵感来源，”Jiang 说道。“感谢一支优秀的团队，我对我们工作的严谨展示也感到自豪。我希望基本的电化学见解也能启发未来的反向偏置研究。”
该研究团队最近的研究成果可能有助于钙钛矿光伏电池未来的商业化，同时也为其他光电器件的开发提供参考。与此同时，Jiang、Ginger 及其同事计划开展进一步研究，探究钙钛矿电池在反向偏置和/或通过高反向电流下退化的机制。
“我们现在想了解反向电流下剩余的故障机制，看看我们是否可以找到方法让它们通过接近阳光下最大功率电流的反向电流，但不会产生不可逆转的损坏，”金杰补充道。