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北卡教堂山分校黄劲松研发出强化屏障有效提高稳定性
2024/07/11 17:09
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方案摘要：
产品配置单：
光焱科技QE-R量子效率系统
型号： QE-R
产地： 台湾
品牌： 光焱科技
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方案详情：
钙钛矿太阳能电池（PSC）作为下一代光伏技术的重要候选者，近年来取得了飞速的发展， 其光电转换效率已经接近甚至超越了传统晶硅太阳能电池。 然而，钙钛矿太阳能电池的稳定性问题依然是制约其商业化应用的关键难题。
反向偏压（reverse bias）对钙钛矿太阳能电池的稳定性有着重要影响， 它可能导致钙钛矿材料分解， 进而影响电池的长期稳定性。 因此，理解反向偏压对钙钛矿结构和性能的影响是提高电池稳定性的重要研究方向。 研究人员需要深入了解反向偏压条件下钙钛矿材料的降解机制， 以找到提高其稳定性的解决方案。
研究反向偏压下的降解机理能帮助科学家找出钙钛矿太阳能电池的弱点。 这些研究有助于设计更加耐用的材料和结构， 以防止电池在反向偏压条件下快速降解。 同时，反向偏压会导致效率损失，这主要是由于电荷载流子的再结合速率增加以及可能的渗透电流增大。 了解和克服这些问题对于保持高效率运行的钙钛矿太阳能电池至关重要。
研究反向偏压对电池的影响还有助于改进封装技术， 防止环境因素（如湿气和氧气）在反向偏压条件下对钙钛矿材料造成的影响。
近期，北卡罗来纳大学教堂山分校黄劲松教授团队在国际顶尖期刊《Nature Energy》上发表了一项重要研究成果， 揭示了钙钛矿太阳能电池在反向偏压下失效的机理， 并通过构建强化屏障， 显着提高了钙钛矿太阳能电池在反向偏压下的稳定性。
【反向偏压下的“致命弱点"：揭秘钙钛矿太阳能电池失效机制】
钙钛矿太阳能电池在实际应用中通常需要承受来自外部环境的变化， 例如反向偏压， 这是指电池两端电压反向连接， 电流方向与正常工作状态相反。 传统上， 钙钛矿太阳能电池在反向偏压下的稳定性较差， 导致其实际应用受到严重限制。
这项研究针对这一问题，对钙钛矿太阳能电池在反向偏压下的失效机制进行了深入研究。 研究人员发现， 当器件工作在反向偏压状态时， 会发生一系列复杂的反应和失效过程：
l 阴极注入空穴导致碘化物氧化: 首先， 反向偏压导致空穴注入到器件阴极， 氧化了钙钛矿中的碘离子， 产生了中性碘 (I2)。
l 碘氧化金属电极: 随后，生成的碘 (I2) 会与金属电极 (例如铜) 发生反应， 腐蚀电极， 导致金属离子（例如 Cu+） 生成。
l 铜离子迁移和还原: 产生的铜离子 (Cu+) 会迁移进入钙钛矿层， 并与电子发生反应， 生成金属铜 (Cu)， 形成局部金属桥， 最终导致器件短路失效。
目前， 许多研究集中在通过材料工程和结构设计来减少反向偏压的负面影响。 例如， 通过优化钙钛矿材料的组成和制备工艺， 可以提高其对反向偏压的耐受性。 此外， 先进的封装技术和界面层材料也在研究中， 以提升电池的稳定性和寿命。
【“铜墙铁壁"的防护： 突破性屏障设计，大幅提升稳定性】
为了克服这一“致命弱点"， 研究团队针对性地提出了一种新型的“强化屏障"策略。 他们在钙钛矿太阳能电池阴极侧， 利用锂氟化物 (LiF)、氧化锡 (SnO2) 和氧化铟锡 (ITO) 组成的复合结构， 形成一层强化屏障：
1. 降低暗电流: LiF/SnO2/ITO 复合结构显着降低了器件的暗电流， 阻挡了空穴注入到阴极。
2. 防止铜腐蚀: 强化屏障能够有效隔绝铜电极和钙钛矿层， 防止铜电极被腐蚀， 抑制了 Cu+离子的产生。
3. 提升反向偏压稳定性: 研究人员测试发现， 采用这种强化屏障策略后， 器件的反向偏压击穿电压显着提升到 -20V 以上， 并且器件在反向偏压下展现出更高的稳定性， 能够有效防止失效。 此外， 采用这种设计的小型模块在遮蔽测试下仍能保持超过 90% 的初始性能， 有效提升了器件在真实环境下的使用寿命。
【钙钛矿太阳能电池发展的新曙光： 稳定性不再是瓶颈】
黄劲松教授领导的团队成功发表了钙钛矿太阳能电池在反向偏压下的失效机制， 并利用强化屏障策略， 显著提高了钙钛矿太阳能电池的稳定性， 这为克服钙钛矿太阳能电池稳定性的难题提供了重要解决方案。
这项突破性的成果， 将为钙钛矿太阳能电池的应用领域打开更广阔的大门， 推动钙钛矿太阳能电池更快速地走向市场应用。 未来， 黄教授团队将继续探索提高钙钛矿太阳能电池的稳定性以及效率的新策略， 为打造再生、可持续的能源体系贡献力量。
这项研究对钙钛矿太阳能电池在反向偏压下的失效机制进行了深入研究，发现了其“致命弱点"。 同时， 研究人员通过设计强化屏障， 成功解决了这一难题， 显著提高了器件的稳定性。 这一研究成果对于推动钙钛矿太阳能电池走向产业化具有重要的意义。
重要技术参数：
l 反向偏压击穿电压: >-20V
l 关键技术： 强化屏障策略
北卡罗来纳大学教堂山分校_黄劲松教授
黄劲松教授是北卡罗来纳大学教堂山分校化学系教授， 主要从事新型光伏材料、器件的研发以及相关理论研究。 他领导的研究团队， 在开发先进太阳能电池材料和器件， 提高其效率和稳定性方面做出了重大贡献。 他是美国能源部基础能源科学办公室“能源前沿研究中心"（EFRC）——“太阳能光伏的界面科学中心" 的研究员， 也曾入选“美国化学会会士"。 他的团队在国际著名期刊上发表了300余篇高质量学术论文， 并在光伏领域取得了多个重要突破， 推动了光伏技术的发展。
课题组主要研究方向
1. 钙钛矿太阳能电池：
o 研究高效钙钛矿太阳能电池的材料合成与制备技术。
o 探讨钙钛矿材料的结构与性能之间的关系，并开发新型钙钛矿材料以提高电池效率和稳定性。
o 解决钙钛矿太阳能电池在环境稳定性和长期耐久性方面的挑战。
2. 有机-无机杂化光伏材料：
o 研究有机与无机材料的结合，开发出具有优异光电性能的新型杂化光伏材料。
o 探讨这些材料在太阳能电池中的应用，提升其转换效率和稳定性。
3. 先进制备技术：
o 开发低成本、高效率的制备技术，包括溶液加工和大面积涂布技术。
o 探索大规模生产中的应用，推动钙钛矿太阳能电池的商业化。
4. 光电器件物理与工程：
o 研究光电器件的工作原理和物理机理，特别是光生电荷的生成、分离和传输过程。
o 开发高效光电探测器和其他光电器件，推动光电技术的多领域应用。
致力于推动光电材料与器件的前沿研究，并致力于实现其在可再生能源和新兴光电技术中的应用。
参考文献
Barrier reinforcement for enhanced perovskite solar cell stability under reverse bias_ Nature Energy2024,_ DOI:10.1038/s41560-024-01579-7
【本研究参数图】
Fig S2. Sn4+ and In3+ signal across the fresh and −3.5 V bias aged (for 6 min) PSCs, respectively (from the TOF-SIMS measurement). Both Sn4+ and In3+ signal (from ITO) was slightly higher in bias aged device at the depth region of 600-780 nm (green square marked)
Fig S4. Scheme and related photos/SEM images for degraded device after peeling off. a, The architecture and related photo of ITO side after peeling off. b, The architecture and related photo of cover glass side after peeling off. It could be seen that certain area of perovskite (yellow box marked) was successfully peeled off from the ITO, which was the target of XPS detection spot (300 × 700 µm). c, SEM image of yellow box marked region shown in Supplementary Fig. 4a, no visible perovskite residue was observed. d, SEM image of yellow box marked region shown in Supplementary Fig. 4b, a flat surface of the peeled-off perovskite was obtained, without any impurities
Fig S5. . PCE evolution of control PSCs under reverse bias, forward bias, and light soaking. a, PCE evolution of PSCs under periodic −1.6 V aging and 0.1 V recovery. b, PCE evolution of PSCs under periodic −1.6 V aging and light recovery. 0.1 V was chosen as the current value under 0.1 V (~0.3 mA/cm2) is quite small to avoid the negative effect of forward bias. From the results we found that although forward bias and light soaking could recover the devices PCE partially, reverse bias caused PCE decline still apparent and more difficult to be recovered after longer time aging. Therefore, reverse bias caused degradation should be partially reversible (i.e.,
ion migration), but irreversible degradation (i.e., chemical reactions) was dominant under longer aging time, as discussed in the main text
Fig S13.Performance of devices with different ETL and electrodes. Typical JV curves of PSCs before and after -1.6 V bias aging (for 200 h). a, ITO/PTAA/FA0.9Cs0.1PbI3/ C60/SnO2/Cu; b,ITO/PTAA/FA0.9Cs0.1PbI3/C60/SnO2/ITO/Cu; c, ITO/PTAA/FA0.9Cs0.1PbI3/ LiF/C60/SnO2/ITO/ Cu
推荐设备
1. QE-R_光伏 / 太阳能电池量子效率测量解决方案
具有以下特色优势：
l 高精度: QE-R 系统采用高精度光谱仪和校准光源，确保 EQE 测量的准确性和可靠性。
l 宽光谱范围:QE-R 系统的光谱范围覆盖紫外到近红外区域，适用于各种光伏材料和器件的 EQE 测量。
l 快速测量:QE-R 系统具有快速扫描和数据采集功能，能够高效地进行 EQE 光谱测量。
l 易于操作:QE-R 系统软件界面友好，操作简单方便，即使是初学者也能轻松上手。
l 多功能:QE-R 系统不仅可以进行 EQE 测量，还可以进行反射率、透射率等光学特性的测量，具有多功能性。
2. SS-X系列集成式解决方案 AM1.5G 标准光谱太阳光模拟器+ 软件: IVS-KA6000 + IVS-KA-Viewer
AM1.5G 标准光谱太阳光模拟器
A+ 光谱：接近 AM1.5G 标准光谱
A+ 辐照度的时间不稳定性
SS-IRIS：自主研发技术自动光强操控
适合与手套箱集成的输出光束方向
IVS-KA6000：IV测量软件 所有 SS-X 系列太阳光模拟器都可以通过 IVS-KA6000 软件进行控制，该软件是 IV 测量软件，可用于准确的 PV 表征。不仅是光闸，输出光辐照度也可以通过 IVS-KA6000 IV 软件进行操控，帮助用户轻松完成不同光强下复杂的 IV 测试或 Sun- Voc测试。来自 IVS-KA6000 的所有 IV 数据都可以通过 IVS-KA-Viewer 读取和分析，这是另一款多功能分析软件。
KA-Viewer IV 分析软件 可以大幅缩短用户的数据处理时间，并可加快整体工艺改进研发的时程。
文献参考自 Nature Energy2024,_ DOI:10.1038/s41560-024-01579-7
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