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            【光伏】Joule: 深度解讀!脈沖療法,提高鈣鈦礦電池穩定性!

            專題網友投稿2022-05-09A+A-

            【光伏】Joule: 深度解讀!脈沖療法,提高鈣鈦礦電池穩定性!

            知光谷 能源技術情報
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            收錄于合集

            第一作者: Kiwan Jeong

            通訊作者: Namyoung Ahn和Mansoo Choi

            通訊單位: 首爾國立大學

            研究亮點

            1.     反向脈沖有效穩定鈣鈦礦器件的充電和離子遷移

            2.     脈沖療法(PT)通過愈合缺陷定期恢復退化的光電流

            3.     PT大大提高了操作穩定性和捕獲能量

              一、研究背景
            研究表明,鈣鈦礦太陽電池商業化的當前最大挑戰是確保長期穩定性。
            二、主要內容
            有鑒于此, 首爾國立大學NamyoungAhn和Mansoo Choi團隊 開發了脈沖療法,通過在最大功率點跟蹤(MPPT)中間解決電荷和離子的積累,可以恢復退化設備并最終延長設備壽命。在該技術中,短時間內重復施加反向偏差以消除累積的電荷并重新分配在功率收集期間遷移的離子而沒有任何操作暫停。
            有趣的是,該療法不僅可以延遲不可逆的退化,而且可以在短暫的反向偏差后立即恢復退化的功率。在治療期間對光致發光強度和光電流動力學的現場測量證實,由于放電和離子再分布,新形成的缺陷可以被湮滅,其特征在于抑制缺陷形成和不可逆降解。在長期試驗中,作者觀察到器件穩定性和總捕獲能量的顯著提高。這項研究以“Pulsatile therapy for perovskite solar cells”為題發表在 Joule 上。
            三、內容詳情
            1. 電偏壓對器件穩定性的影響
            作者分別通過(1)在不同電氣條件下浸泡的器件穩定性的研究及(2)連續偏置100小時的情況下對采集的電力進行跟蹤來研究電偏壓對器件穩定性的影響。結果表明MPPT和SC條件均顯示出比OC條件更慢的降解,但在SC條件下觀察到最穩定的操作。不同的偏壓明顯影響了器件的穩定性,并在退化中發揮了重要作用。對于鈣鈦礦型太陽電池的長期運行,在電荷累積(光電壓)和萃?。ü怆娏鳎┲g會有一個最佳的平衡。表明鈣鈦礦器件可以通過適當的電操作來穩定,以減輕鈣鈦礦降解的兩個主要因素。

            圖1偏壓相關的器件穩定性
            2. 脈沖療法及其療效
            作者證明脈沖MPPT系統可以在短時間內恢復已降解的器件和穩定器件,并最終在長期測試中獲得更高的功率。該系統的主要思想是通過編程算法周期性地施加反向偏置的短電脈沖以提取累積電荷并在MPPT操作期間重新分布遷移的離子。在系統中, I-V 掃描每3到5小時進行一次,然后自動評估設備狀態。從更新的 I-V 曲線,計算MPPT和RP的偏置幅度并更新到下一個功率收集步驟。在收獲階段,MPPT和短反向脈沖步驟交替重復,直到下一個 I-V 掃描。

            圖2 鈣鈦礦太陽電池的脈沖療法

            圖3 脈沖療法下的光致發光強度和光電流動力學
            3. 脈沖療法抑制缺陷形成
            作者分別在MPPT和PT下測試的兩個器件的 I-V 曲線,還研究了它們的 I-V 曲線的滯后特性,以分析脈沖療法對于缺陷的影響。結果表明,MPPT測試器件的滯后指數(HI)比PT的情況增加得更快,直到在操作時間120小時開始出現特殊形狀。退化器件中界面處的電荷累積導致HI隨時間增加,但是只有在MPPT的情況下才能觀察到 I-V 曲線中特殊形狀的出現,而在PT下測試的器件的 I-V 曲線保持其典型的形狀直到500小時。
            作者成功地模擬了MPPT測試設備的兩次偏轉 I-V 曲線。模擬曲線與測量的 I-V 曲線非常一致,這意味著標準MPPT操作觸發二次復合路徑的出現。引人注目的是,在500小時的長期測試中沒有觀察到奇特的形狀,500小時的 I-V 曲線通過使用單個二極管電路建模很好地擬合。 這表明在PT下測試的器件中沒有形成額外的復合路徑。
            通過飛行時間二次離子質譜和X射線衍射技術嚴格檢查在MPPT或PT下測試300小時的器件。在長期測試器件的鈣鈦礦晶體的XRD圖中也發現了PT的明顯效果。300小時MPPT、PT和新器件XRD測試結果顯示,基于FA的鈣鈦礦具有立方 Pm-3m 相。兩種情況下連續運行300小時后仍保持立方相,但在14℃時(100)峰的位置發生了顯著變化。這種轉變源于由于額外應變引起的晶體結構變形,表明在降解過程中缺陷增加。PT測試器件的峰值位置略有變化,這是PT治療中有效抑制缺陷形成的明確證據。還觀察到PbI 2 峰的相對強度僅在MPPT操作的情況下顯著增加了很多,這表明在MPPT操作期間額外形成PbI 2 物種。在新形成的缺陷中通過電荷俘獲加速鈣鈦礦晶體分解成有機鹵化物和PbI 2 ,這可以解釋在MPPT測試器件中進一步產生PbI 2 。
            根據操作類型研究并比較鈣鈦礦層的形態變化,作者在所測試的MPPT的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像中觀察到更多的空隙和白色顆粒鈣鈦礦膜,表明產生了大量的PbI 2 和氣態有機鹵化物和I 2 蒸發。PT通過抑制缺陷形成有效地防止了形態變化,這與上述XRD結果非常一致。

            圖4 缺陷抑制
            1. 4.     脈沖療法的缺陷愈合機制
            作者提出了PT的愈合作用的簡單機制,其中鹵化物間質缺陷作為可逆化學資源起決定性作用。標準MPPT操作過程中鹵化物缺陷的不可逆化學過程中當鈣鈦礦太陽電池在電偏壓和光照下工作時,電荷載流子和離子開始通過擴散漂移模型移動,載流子和離子都相對集中在界面上。由于中性間隙缺陷占據深層狀態,鈣鈦礦晶體不再具有缺陷耐受性,導致陷阱輔助復合。
            這些缺陷充當產生三碘化物、碘和碘化鉛,從而導致鈣鈦礦經歷永久性材料降解。在PT系統中,周期性反向脈沖重新分配鹵化物離子并提取累積電荷,從而降低界面處反應物的濃度。鹵化物缺陷從深層狀態返回到淺層狀態,這使得鈣鈦礦能夠返回到耐缺陷狀態。愈合過程還通過降低深層缺陷的濃度來抑制永久性降解,最終導致性能的高度可持續性。
            四、總結
            PT是第一種通過施加反向偏置的短電脈沖而無需暫停操作來固化和恢復降解的鈣鈦礦太陽電池的技術。實驗證明該療法不僅可以延緩不可逆的降解,還可以通過提取電荷和重新分配離子,以可逆的方式有效治愈受損性能?;贛A和FA的鈣鈦礦均顯示出相似的功效,即降解速度減慢以及可逆地恢復降解功率。作者從原位UPL強度和PC動力學驗證了PT抑制了不利缺陷的形成甚至通過在短的反向偏壓中減輕電荷和離子的積累來誘導缺陷愈合,最終導致光電流的恢復和器件退化的延遲。
            通過這種新穎但尚未完全優化的方法,作者不僅證明了500小時操作后器件穩定性和總收集能量的顯著改善,而且通過清楚地解釋如何通過以下方式恢復降解的鈣鈦礦器件,促進了對鈣鈦礦降解的科學認識。缺陷協助的復合可能通過脈沖療法抑制連續操作500小時,這與PL動力學實驗非常一致。為了實現PT的實際實施,兩種商業化電力電子器件的技術組合或向太陽充電控制器添加極性反轉功能將滿足定期應用MPPT和反向偏置的要求。這項研究提出了一種前所未有的技術方法來快速治愈鈣鈦礦太陽電池器件并延長其壽命,為實現鈣鈦礦太陽電池商業化提供了可能性。
            原文鏈接:
            https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435122001453

            同步輻射丨球差電鏡丨FIB-TEM

            原位XPS、原位XRD、原位Raman、原位FTIR

            加急測試

            朱老師

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