熱門!鈣鈦礦太陽能電池再次登上《Science》正刊

2020-12-06 孜然學術

雖然鈣鈦礦型太陽能電池的能量轉換效率已經顯著提高,但耐久性限制了其在商業化中應用的可能性。近日,澳大利亞新南威爾斯大學的Anita W. Y. Ho-Baillie教授和Lei Shi(共同通訊作者)首次使用氣相色譜-質譜(GC-MS)揭示了有機雜化鈣鈦礦在熱應力下分解的特徵性揮發性產物及其途徑。另外,使用GC-MS來確認低成本的聚異丁烯(合成橡膠)基或聚烯烴基聚合物-玻璃堆疊壓力密封封裝策略可有效抑制鈣鈦礦放氣,該過程導致其分解。使用這種封裝方案,包含多陽離子多滷化物鈣鈦礦太陽能電池的CH3NH3(MA)經受了超過1800小時的溼熱測試和75個周期的溼度凍結試驗,首次超過了國際電工委員會關於這類光電器件的熱和溼的測試標準(IEC61215:2016標準)的要求。相關論文以題為「Gas chromatography-mass spectrometry analyses of encapsulated stable perovskite solar cells」發表在Science上。

論文連結

https://science.sciencemag.org/content/368/6497/eaba2412

眾所周知,滷化物鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)在功率轉換效率(PCE)上有了很大的提高,僅在10年內就從3.8%提高到25.2%。再加上其低製造成本,PSC技術作為獨立的鈣鈦礦電池是非常有前途。但是,要使PSC在商業上可行,就必須能夠抵抗水分,熱量和光等長期的環境壓力。近年來,研究者已經開發了防潮技術,如:環氧樹脂,丁基橡膠,陶瓷薄膜和二元化合物,它們可以有效地將鈣鈦礦和有機太陽能電池與高溼度環境隔離開。改變電池設計和材料選擇以改善溼度和熱穩定性的其他策略包括改變三維(3D)鈣鈦礦成分,應用2D鈣鈦礦材料以及使用替代的電子/空穴傳輸材料。改善PSC的熱穩定性的一種策略是抑制鈣鈦礦材料的應力誘導氣態分解。

儘管已報告的大部分PSC穩定性研究都是在85°C下進行的,但實際室外條件下的光伏模塊必須能夠承受溼氣侵入和極端溫度的雙重影響。此類模塊必須能夠經受住這些測試,並且效率的相對損失小於5%。因此,潮溼凍結測試結合了溼熱循環和熱循環,對太陽能電池及其封裝施加了最嚴酷的壓力。例如,封裝內進入的水分將在冷凍過程中固化,隨後使封裝劑分層。溫度循環可促進鈣鈦礦的分解,而鈣鈦礦本身可加速分解反應。因此,鈣鈦礦材料的包封或不穩定性的弱點很可能通過「溼度凍結」測試得以揭示。在之前的研究中,採用基於聚異丁烯(PIB)的聚合物「毯蓋」封裝方案,在潮溼的環境中存活了500小時而沒有降解。

在本文中,作者開發了一種改進的封裝順序,同時防止了溼氣/空氣進入裝置,並抑制了揮發性有機氣體從混合鈣鈦礦的釋放。此外,結合氣相色譜-質譜分析監測鈣鈦礦和前驅體組件中析出的氣體,這對於確定和實施最佳封裝策略至關重要。更加重要的是,除了這種封裝方法的簡單性之外,作者還證明了開發用於PSC的低成本封裝技術的可行性,與形成保護性屏障的技術難度更大且成本更高的工藝形成對比。

圖1.用於IEC 61215:2016溼熱和熱循環試驗的太陽能電池

圖2. 基於IEC61215:2016測試的結果證明包裝方案的有效性

圖3. 鈣鈦礦前驅體粉末的特徵分解產物

圖4.GC-MS測量未封裝結構和封裝結構電池

圖5.未封裝測試和封裝測試電池的特徵分解產物

總而言之,作者的工作表明,用簡單低成本的聚異丁烯或聚烯烴聚合物-玻璃組合封裝的有機內矽鈣鈦礦太陽能電池具有優異的耐久性,其性能指標超過了IEC61215:2016溼熱和溼凍測試的要求。使用GC-MS,確定了單一、混合陽離子和混合滷化物鈣鈦礦前驅體材料的分解產物。在已識別的特徵分解產物如CH3I、CH3Br和NH3的基礎上,提出了MAI、FAI、MABr、混合陽離子和混合滷化物鈣鈦礦前體的分解途徑,包括它們的二次分解反應。(文:Caspar)

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