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美国国家可再生能源实验室朱凯发完Science,再发Nature
2023/9/18 17:33:07 | 浏览:1137 | 评论:0

美国国家可再生能源实验室朱凯发完Science,再发Nature

研究背景

金属卤化物钙钛矿太阳能电池(PSCs)或光伏电池(PV)被认为是实现低成本、高效率、大规模(太瓦级)应用的重要技术,单结和串联应用都获得了前所未有的功率转换效率(PCE)。为了推动PSCs从实验室走向商业化,了解和提高PSCs在真实户外条件下的长期运行稳定性至关重要。

关键问题

然而,PSCs的稳定性测试仍存在以下问题:

1、目前的PSCs的稳定性测试大多在室内进行

目前,PSCs的稳定性测试是在室内进行的,如何定量地了解室内测试和室外现场操作之间的相关性非常重要,这需要评估和识别关键退化机制以及相关故障模式及其与设备组件的关系。

2、亟需建立室内加速测试方法以达到商业化稳定性目标

为了推动PSC走向商业化,有必要确定加速室内测试协议——该协议可以将特定压力源与现场设备中观察到的退化模式相关联,以快速指导PSC开发。

新思路

有鉴于此,美国国家可再生能源实验室朱凯等人使用最先进的p-i-n PSC 堆叠(PCE 高达约25.5%)来表明室内加速稳定性测试可以预测6个月的室外老化测试。光照和高温下的设备退化率对于了解户外设备的稳定性最具指导意义。作者发现,基于氧化铟锡(ITO)/自组装单层(SAM)的空穴传输层(HTL)/钙钛矿界面对器件运行稳定性影响最大。通过改善SAM HTL的离子阻挡特性可将50°C–85°C下的平均器件运行稳定性提高约2.8倍,在20 %的降解率下,在85°C下稳定性可超过1000小时,在50°C下接近8200小时,这是迄今为止高效p-i-n PSC中稳定性表现最好的。

技术方案:

1、探究了设备性能和室内压力测试

作者重点研究了p-i-n PSC典型器件,表明该器件具有高PCE,良好的再现性以及良好的稳定性,但仍需建立多种应力下的设备运行稳定性测试以建立室内室外测试之间的联系。

2、研究了器件稳定性的温度效应

作者检查了器件在 1.2-sun和 25°C 至 85°C 高温范围下的稳定性,结果表明随着设备工作温度的升高,电池平均降解速度更快。

3、研究了器件在户外条件下的老化行为

作者研究了户外老化条件下的器件稳定性,表明高温与光照的组合是最关键的应力条件。

4、探究了界面改善对器件稳定性的影响

作者通过基于MeO-2PACz和Me-4PACz混合SAMs改善了器件的离子阻断性能,平均T80在85°C时超过1000小时,并在50°C时进一步增加到接近8200小时,活化能提高了约2.8倍。

技术优势:

1、建立了室内稳定性加速测试和室外老化测试之间的关联关系

作者通过p-i-n型PSCs电池,在光照和高温下进行室内操作,快速识别了钙钛矿器件的关键不稳定机制,通过建模建立了室内加速稳定性测试和室外老化测试之间的关系。

2、获得了迄今为止最好的高效p-i-n型PSCs之一

基于钙钛矿器件不稳定机制的解析,作者通过对HTL进行简单修改,在1.2-sun光照下,在50°C–85°C平均器件稳定性提高约2.8倍,在85°C下T80超过1000小时,在50°C下T80接近8200小时。

技术细节

设备性能和室内压力测试

在本研究中,作者重点研究了p-i-n PSC典型器件,J-V特性曲线表明该器件的反向和正向扫描的PCE分别为25.58%和25.49%,相应的稳定功率输出(SPO)PCE达到25.52%。作者表明了该器件具有良好的再现性以及良好的稳定性。存储、室温操作、热循环和湿热测试的稳定性结果可以分别解决不同的压力因素,从而测试p-i-n PSC 和器件封装的稳健性。然而,在实际操作中,这些单独的应力因素将同时起作用,影响设备操作并产生性能退化。识别和理解可靠性限制机制需要研究在应力条件组合下运行的设备的室外和室内测试之间进行迭代。

美国国家可再生能源实验室朱凯发完Science,再发Nature

图  装置特性及稳定性

温度效应

为了进一步了解温度和光照共同作用下对器件稳定性的影响,作者检查了器件在 1.2-sun和 25°C 至 85°C 高温范围下的稳定性。研究结果表明,随着设备工作温度的升高,电池平均降解速度更快,T80从25°C时的约14580小时减少为85°C时的约360小时,在85°C下老化的器件的降解速度比在25°C下老化的器件快40倍。根据不同温度下的小时降解率(1/T80),估算出表观活化能(Ea)约 0.59 eV,以合理地描述 25°C 至 85°C 温度范围内的限速降解过程。

美国国家可再生能源实验室朱凯发完Science,再发Nature

图  温度依赖性稳定性研究

户外老化

接着,作者研究了户外老化条件下的器件稳定性。由于较高的温度对器件在光照下的运行更加不利,因此在户外老化测试过程中跟踪了环境温度的变化。作者展示了室外稳定性测试期间的每周温度趋势,定期将室外设备带回室内,在固定条件的太阳模拟器下测量设备 PCE,以监测设备退化行为。使用与温度相关的每小时退化率和室外测试温度来模拟室外操作期间设备退化的程度。在室外条件下26周后,设备仍保持初始PCE的约 66%–75%。这表明高温与光照的组合是最关键的应力条件,并且在封装良好的设备没有湿气进入的情况下,它可以用于定量预测测试期间户外操作条件下的电池性能。

美国国家可再生能源实验室朱凯发完Science,再发Nature

图  户外老化测试

界面改善及稳定性研究

界面工程在提高 PSC 效率和稳定性方面显示出了巨大的前景。作者怀疑底部界面区域的(ITO/HTL/钙钛矿)限制了器件在高温照明下的稳定性。DFT计算和电化学测量表明,基于MeO-2PACz和Me-4PACz混合SAMs的HTL比MeO-2PACz具有更强的离子阻断性能,导致其在高温下具有更高的界面稳定性。作者检查了基于MeO-2PACz和Me-4PACz混合SAM的 p-i-n PSC 的室内和室外运行稳定性。结果表明,平均T80在85°C时超过1000小时,并在50°C时进一步增加到接近8200小时,与基于MeO-2PACz的器件相比,活化能提高了约2.8倍。该结果强调了识别和改进 PSC 最薄弱组件对于高温下稳定器件运行的重要性,这对于户外应用的 PSC 开发至关重要。

美国国家可再生能源实验室朱凯发完Science,再发Nature

图  基于混合SAM HTL的室外和室内稳定性测试

展望

光照条件下进行高温运行稳定性测试与室外运行电池测试有很好的相关性。ITO/SAM HTL/钙钛矿界面对于提高器件在高温下的运行稳定性至关重要。基于本工作解析的PSC降解机制,在光照下进行更高温度的测试也可以加快高性能PSC的开发周期,从而推动钙钛矿光伏产业的发展。

参考文献:

Jiang, Q., Tirawat, R., Kerner, R.A. et al. Towards linking lab and field lifetimes of perovskite solar cells. Nature(2023).

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06610-7

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