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钙钛矿PV有30年寿命?

2022/7/29 7:15:17      材料来源:化合物半导体

普林斯顿团队的加速老化试验标志着商业上可行的钙钛矿PV的里程碑
 
普林斯顿工程研究人员开发了第一个具有商业可行性寿命的钙钛矿太阳能电池,这标志着新兴可再生能源技术的一个重大里程碑。
 
据称,该器件是同类器件中第一款性能可与硅基电池匹敌的器件,自1954年推出以来,硅基电池一直在市场上占据主导地位。普林斯顿团队预测,他们的器件可以在30年左右的时间内达到行业标准以上的性能,远远超过太阳能电池20年的阈值。
 
由Lynn Loo领导的普林斯顿团队在6月16日发表在《科学》杂志上的一篇论文《全无机界面稳定钙钛矿太阳能电池的加速老化》中透露了他们的新器件和测试此类器件的新方法。
 
Loo说,这项创纪录的设计突出了钙钛矿太阳能电池的持久潜力,特别是作为推动太阳能电池技术超越硅极限的一种方式。但她也指出,她的团队的新加速老化技术是这项工作的深层意义。
 
她说:“我们今天可能会有记录,但明天会有其他人带来更好的记录。真正令人兴奋的是,我们现在有了一种方法来测试这些器件,并知道它们的长期性能。”
 
由于钙钛矿的众所周知的脆弱性,到目前为止,长期测试还没有受到太多关注。但是,随着器件变得更好、使用寿命更长,测试一种设计与另一种设计之间的对比将成为推出耐用、消费者友好型技术的关键。
 
国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory)专门研究太阳能电池物理的高级研究员Joseph Berry表示:“这篇论文很可能成为任何希望在效率和稳定性的交叉点上分析性能的人的原型。”。
 
“通过制作一个原型来研究稳定性,并展示(通过加速测试)可以推断出的东西,它正在做我们开始大规模现场测试之前每个人都想看到的工作。它允许你以一种令人印象深刻的方式进行项目。”
 
Berry说,虽然效率在过去十年中以惊人的速度提高,但这些器件的稳定性提高得较慢。为了让它们在业界得到广泛应用和推广,测试将需要变得更加复杂。这就是Loo加速衰老的原因。
 
“这类测试将变得越来越重要,”Loo说。“你可以制造效率最高的太阳能电池,但如果它们不稳定,那也没关系。”
 
研究进展
2020年初,Loo的团队正在研究各种器件架构,这些架构将保持相对较高的效率,并在太阳能电池寿命期间经受住热、光和湿度的冲击。
 
Xiaoming Zhao是一名博士后研究员,他一直在与同事们一起进行多项设计。这些努力将不同的材料分层,以优化光吸收,同时保护最脆弱的区域免受暴露。他们在两个关键组成部分之间开发了超薄的2D覆盖层:吸收钙钛矿层和由铜盐和其他物质形成的荷电层。目标是使钙钛矿半导体在几周或几个月内不会烧坏,这是当时的标准。
 
Zhao和同事们对这些设计进行了大量的排列,改变了几何形状中的微小细节,改变了层数,并尝试了几十种材料组合。每种设计都进入了灯箱,在其中他们可以用无情的强光照射敏感器件,并测量其性能随时间的下降。那年秋天,Zhao注意到,有一套器件似乎仍在接近其最高效率的状态下运行。“近半年后基本上没有下降,”他说。
 
为了更快地对设备进行压力测试并加快老化过程,他们在对设备进行加热的同时对其进行照明。研究人员选择了四个老化温度,并在这四个不同的数据流中测量了结果,从典型夏日的基线温度到 110 摄氏度的极端温度。
 
然后,他们根据综合数据进行推断,并预测该器件在室温下连续照明数万小时的性能。结果表明,在平均温度约为35℃的情况下,在连续照明至少五年的情况下,该器件的最高效率将达到80%以上。使用标准转换指标,Loo说,这相当于实验室在新泽西州普林斯顿这样的地区进行了30年的户外操作。
 
NREL的Berry对此表示赞同。“这是非常可信的,”他说。“一些人仍然希望看到它发挥作用。但这是一门比许多其他预测尝试更可信的科学。”

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