摘要
鹵化物鈣鈦礦太陽能電池 (PSCs) 作為一種新興光伏技術，在效率和規模化方面取得了顯著進展，但其長期運行穩定性，尤其是在經歷溫度波動時，仍面臨挑戰。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 至 85°C 溫度范圍內經歷 2500 次熱循環后，仍能保持 80% 以上的初始功率轉換效率 (PCE)，展現出優異的熱循環穩定性。
-本研究相關參數圖表，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，但其長期穩定性，尤其是在經歷溫度波動時，仍面臨挑戰。PSCs 通常由多層薄膜材料堆疊而成，各層材料的熱膨脹系數存在差異。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 的熱循環疲勞對于提升其長期穩定性至關重要。
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穩定性，研究人員進行了 ISOS-T-3 標準熱循環測試 (–40 至 85°C，6 小時/循環) 和加速熱循環測試 (–40 至 85°C，5 分鐘/循環)。
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 至 85°C 溫度范圍內經歷 2500 次熱循環后，仍能保持 80% 以上的初始 PCE，展現出優異的熱循環穩定性。相比之下，未添加添加劑的器件在熱循環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疲勞，實現了 2500 次循環后仍維持 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 的熱循環穩定性。這項工作為開發高穩定性鈣鈦礦太陽能電池提供了新的思路，并為其商業化應用奠定了基礎。
本文參數圖:
基于 OAI-1 的n-i-p PSC 的外部量子效率 (EQE) 光譜
將此光譜與熱循環后器件的 EQE 光譜進行比較，以評估 OAI-1 添加劑對熱循環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疲勞，那么熱循環后的 EQE 光譜應該與 Figure S3 中的光譜較為接近，以評估熱循環對器件光電轉換性能的影響。
PSCs (20 個電池或組件) 的光伏性能參數 Jsc、Voc、填充因子 (FF) 和 PCE 的統計數據
展示了未添加和添加 OAI-1 的 PSCs 的光伏性能參數統計分布。研究人員可以將熱循環后器件的光伏性能參數統計分布與 Figure S4 中的數據進行比較，以評估熱循環對器件整體性能的影響，以及 OAI-1 添加劑對器件熱循環穩定性的提升效果。如果添加劑能夠有效緩解熱循環疲勞，那么熱循環后的參數分布應該與 Figure S4 中添加 OAI-1 的器件的參數分布較為接近。以評估熱循環對器件整體性能的影響，以及 OAI-1 添加劑對器件熱循環穩定性的提升效果。
原文出處: ACS Energy Letters_DOI: 10.1021/acsenergylett.4c00988
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