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NREL團隊緩解鈣鈦礦光伏熱循環(huán)疲勞,實現(xiàn)千次循環(huán)后仍保80%初始效率

更新時間:2024-05-13      點擊次數(shù):585

NREL團隊緩解鈣鈦礦光伏熱循環(huán)疲勞,實現(xiàn)千次循環(huán)后仍保80%初始效率


摘要

鹵化物鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 作為一種新興光伏技術,在效率和規(guī)模化方面取得了顯著進展,但其長期運行穩(wěn)定性,尤其是在經(jīng)歷溫度波動時,仍面臨挑戰(zhàn)。多層薄膜器件堆疊中存在的機械殘余應力,由于各層材料熱膨脹系數(shù)的差異,在溫度變化過程中會導致器件性能衰減。美國國家可再生能源實驗室 (NREL) Joseph M. Luther 博士團隊在 ACS Energy Letters 上發(fā)表的研究成果,提出了一種通過應力工程來緩解鈣鈦礦光伏熱循環(huán)疲勞的有效策略。研究人員通過在鈣鈦礦前驅體溶液中加入烷基銨添加劑,成功地將薄膜的殘余應力和應變降至接近零,有效防止了器件在劇烈和快速熱循環(huán)過程中的開裂和分層。研究結果表明,采用應力工程策略的正置 (n-i-p) 和倒置 (p-i-n) 非封裝 PSCs 和微型組件,在 -40 85°C 溫度范圍內(nèi)經(jīng)歷 2500 次熱循環(huán)后,仍能保持 80% 以上的初始功率轉換效率 (PCE),展現(xiàn)出優(yōu)異的熱循環(huán)穩(wěn)定性。
 

-本研究相關參數(shù)圖表,整理至文末處-

本研究推薦使用設備

 

·         SS-X系列 AM1.5G 標準光譜太陽光模擬器

·         QE-R 光伏 / 太陽能電池量子效率測量解決方案

研究背景

鈣鈦礦太陽能電池近年來在效率方面取得了顯著突破,但其長期穩(wěn)定性,尤其是在經(jīng)歷溫度波動時,仍面臨挑戰(zhàn)。PSCs 通常由多層薄膜材料堆疊而成,各層材料的熱膨脹系數(shù)存在差異。在器件工作過程中,溫度變化會引起各層材料的膨脹和收縮程度不同,從而產(chǎn)生機械應力。這種應力積累會導致薄膜開裂、分層,最終導致器件性能衰減。因此,緩解 PSCs 的熱循環(huán)疲勞對于提升其長期穩(wěn)定性至關重要。

研究方法

該研究采用了一種應力工程策略,通過在鈣鈦礦前驅體溶液中加入烷基銨添加劑,來調(diào)控薄膜的殘余應力。研究人員利用 X 射線衍射 (XRD) sin2ψ 方法測量了不同添加劑濃度下鈣鈦礦薄膜的殘余應力,并通過掃描電子顯微鏡 (SEM) 觀察了薄膜的形貌。此外,他們還利用瞬態(tài)吸收 (TA) 光譜研究了器件的載流子動力學,并通過雙懸臂梁 (DCB) 技術測量了鈣鈦礦薄膜與電子傳輸層之間的界面韌性。為了評估器件的熱循環(huán)穩(wěn)定性,研究人員進行了 ISOS-T-3 標準熱循環(huán)測試 (–40 85°C,6 小時/循環(huán)) 和加速熱循環(huán)測試 (–40 85°C,5 分鐘/循環(huán))。

研究結果與討論

研究結果表明,加入烷基銨添加劑可以有效降低鈣鈦礦薄膜的殘余應力。未添加添加劑的薄膜在室溫下表現(xiàn)出較大的拉伸應力,而添加劑的加入可以將應力降至接近零。SEM 圖像顯示,添加劑的加入可以改善薄膜的形貌,使其更加致密和平整。TA 光譜結果表明,添加劑可以鈍化薄膜中的缺陷,延長載流子的壽命。DCB 測試結果顯示,添加劑可以增強薄膜與電子傳輸層之間的界面韌性。熱循環(huán)測試結果表明,采用應力工程策略的正置 (n-i-p) 和倒置 (p-i-n) 非封裝 PSCs 和微型組件,在 –40 85°C 溫度范圍內(nèi)經(jīng)歷 2500 次熱循環(huán)后,仍能保持 80% 以上的初始 PCE,展現(xiàn)出優(yōu)異的熱循環(huán)穩(wěn)定性。相比之下,未添加添加劑的器件在熱循環(huán)過程中性能衰減更快。

結論與展望

該研究通過應力工程策略,成功地緩解了鈣鈦礦光伏的熱循環(huán)疲勞,實現(xiàn)了 2500 次循環(huán)后仍維持 80% 以上初始效率的目標。研究結果表明,應力工程可以通過調(diào)控薄膜的殘余應力、改善薄膜形貌、鈍化缺陷、增強界面韌性等多種途徑來提升 PSCs 的熱循環(huán)穩(wěn)定性。這項工作為開發(fā)高穩(wěn)定性鈣鈦礦太陽能電池提供了新的思路,并為其商業(yè)化應用奠定了基礎。
 
本文參數(shù)圖:


NREL團隊緩解鈣鈦礦光伏熱循環(huán)疲勞,實現(xiàn)千次循環(huán)后仍保80%初始效率

基于 OAI-1 n-i-p PSC 的外部量子效率 (EQE) 光譜
將此光譜與熱循環(huán)后器件的 EQE 光譜進行比較,以評估 OAI-1 添加劑對熱循環(huán)過程中器件光電轉換性能的影響。如果添加劑能夠有效緩解熱循環(huán)疲勞,那么熱循環(huán)后的 EQE 光譜應該與 Figure S3 中的光譜較為接近,以評估熱循環(huán)對器件光電轉換性能的影響。

NREL團隊緩解鈣鈦礦光伏熱循環(huán)疲勞,實現(xiàn)千次循環(huán)后仍保80%初始效率

PSCs (20 個電池或組件) 的光伏性能參數(shù) Jsc、Voc、填充因子 (FF) PCE 的統(tǒng)計數(shù)據(jù)
展示了未添加和添加 OAI-1 PSCs 的光伏性能參數(shù)統(tǒng)計分布。研究人員可以將熱循環(huán)后器件的光伏性能參數(shù)統(tǒng)計分布與 Figure S4 中的數(shù)據(jù)進行比較,以評估熱循環(huán)對器件整體性能的影響,以及 OAI-1 添加劑對器件熱循環(huán)穩(wěn)定性的提升效果。如果添加劑能夠有效緩解熱循環(huán)疲勞,那么熱循環(huán)后的參數(shù)分布應該與 Figure S4 中添加 OAI-1 的器件的參數(shù)分布較為接近。以評估熱循環(huán)對器件整體性能的影響,以及 OAI-1 添加劑對器件熱循環(huán)穩(wěn)定性的提升效果。


原文出處: ACS Energy Letters_DOI: 10.1021/acsenergylett.4c00988



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具有以下特色優(yōu)勢:

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l  寬光譜范圍: QE-R 系統(tǒng)的光譜范圍覆蓋紫外到近紅外區(qū)域,適用于各種光伏材料和器件的 EQE 測量。

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l  易于操作: QE-R 系統(tǒng)軟件界面友好,操作簡單方便,即使是初學者也能輕松上手。

l  多功能: QE-R 系統(tǒng)不僅可以進行 EQE 測量,還可以進行反射率、透射率等光學特性的測量,具有多功能性。

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AM1.5G 標準光譜太陽光模擬器

l  A+ 光譜:接近 AM1.5G 標準光譜

l  A+ 輻照度的時間不穩(wěn)定性

l  SS-IRIS:自主研發(fā)技術自動光強操控

l  適合與手套箱集成的輸出光束方向

IVS-KA6000IV測量軟件

所有 SS-X 系列太陽光模擬器都可以通過 IVS-KA6000 軟件進行控制,該軟件是 IV 測量軟件,可用于準確的 PV 表征。不僅是光閘,輸出光輻照度也可以通過 IVS-KA6000 IV 軟件進行操控,幫助用戶輕松完成不同光強下復雜的 IV 測試或 Sun- Voc 測試。來自 IVS-KA6000 的所有 IV 數(shù)據(jù)都可以通過 IVS-KA-Viewer 讀取和分析,這是另一款多功能分析軟件。

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