上海交大材料學院韓禮元教授團隊在大面積鈣鈦礦太陽能電池模塊...

2020-11-22 上海交通大學新聞網

高效且穩定的鈣鈦礦太陽能電池模塊是實現該類新型光伏技術產業化的基石，也是當前國際科技和產業競爭的焦點和難點。近日，上海交通大學韓禮元教授團隊在Cell Press旗下的知名期刊《Joule》上發表題為「Efficient Perovskite Solar Cell Modules with High Stability Enabled by Iodide Diffusion Barriers」的學術論文。韓禮元教授和楊旭東教授為論文共同通訊作者，畢恩兵博士、博士生唐文濤、陳漢教授為共同第一作者。2017年該團隊製備了具有認證效率的鈣鈦礦太陽能電池模塊(Nature, 2017, 550, 92)。半個月前，該團隊在鈣鈦礦器件穩定性上再下一城，構建穩定異質結結構，為提升器件穩定性提供了全新的思路(Science, 2015, 350, 944)。此次成果結合模塊製備基礎和全新的穩定性理論，通過器件結構設計，製備了高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池模塊。

高效率鈣鈦礦太陽能電池模塊因具有不同於小面積電池的特有器件結構，存在更為複雜的光電性能衰減過程，穩定性低於小面積電池。如何實現大面積高效且穩定的鈣鈦礦太陽能電池模塊，成為阻礙該類新型光伏技術產業化的重要瓶頸問題。高效鈣鈦礦太陽能電池模塊中，存在結構複雜的電池連接區，並利用該結構將子電池串聯在一起。在傳統方法所製備的模塊結構中，連接區鈣鈦礦薄膜會接觸到金屬電極和空氣而發生材料腐蝕和分解問題，且同時存在電子和空穴傳輸層接觸導致電荷複合損失的問題。


圖一（A）鈣鈦礦電池模塊中材料腐蝕和分解過程、界面載流子的傳輸和複合過程的示意圖；(B-D) 0維、1維、2維的擴散阻隔層材料示意圖；(E-G) 採用0維、1維、2維擴散阻隔層的器件元素分布。

韓禮元教授團隊重新設計了模塊連接區結構，構建了由可低溫製備的低維材料來形成的擴散阻隔層。該結構可有效抑制材料的腐蝕和分解，以及抑制界面電荷複合，最終實現了高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池模塊。通過國際公認光伏認證機構測試，在面積36cm2的模塊器件上獲得14.2%的認證效率。該模塊在85℃加熱1000小時後，仍然保持著95% 以上的初始光電轉換效率，且在一個標準太陽光（AM 1.5G，100mw/cm2）光照1000小時後仍保持初始效率的91%。

圖二，(A)有/無阻隔層的鈣鈦礦電池模塊封裝後在85 oC，相對溼度85% 條件下運行1,000 小時效率的變化，(B)有/無阻隔層的鈣鈦礦電池模塊封裝後在60 oC、一個標準太陽光光照1000小時下效率變化。

這項工作通過模塊器件結構設計，有效提高了大面積高效鈣鈦礦太陽能電池模塊器件的穩定性，在推動該類低成本光伏技術的大規模應用上邁出了重要一步，對未來產業化具有十分重要的意義。

論文連結：https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30374-5

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