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30年钙钛矿型太阳能电池及其长期测试新方法
2022年06月19日    阅读量:150    新闻来源:中国机械网 okmao.com  |  投稿

普林斯顿工程研究人员开发了第一块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。该团队预计,他们的设备可以在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生存能力的20年阈值。

该设备不仅非常耐用,而且符合通用效率标准。自1954年推出硅基电池以来,硅基电池一直占据着市场的主导地位,这是同类电池中第一个与硅基电池性能相媲美的电池。

钙钛矿是一种具有特殊晶体结构的半导体,非常适合于太阳能电池技术。它们可以在室温下制造,使用的能源比硅少得多,因此生产成本更低,更具可持续性。虽然硅是坚硬不透明的,但钙钛矿可以制成灵活透明的材料,使太阳能发电远远超出了遍布美国山坡和屋顶的标志性太阳能电池板。

但与硅不同,钙钛矿是出了名的脆弱。2009年至2012年间制造的早期钙钛矿太阳能电池(PSC)只持续了几分钟。新设备的预计使用寿命比2017年效率较低的PSC创下的前一记录增加了五倍。(该装置在室温连续照明下工作一年。新装置将在类似的实验室条件下工作五年。)

由78年西奥多拉和74年威廉·H·沃尔顿三世的工程学教授林恩·洛领导的普林斯顿团队在6月16日出版的《科学》杂志上公布了他们的新设备和测试这些设备的新方法。

Loo表示,这一创纪录的设计突显了PSC的持久潜力,尤其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,在标题结果之前,她的团队的新加速老化技术是这项工作更深层次的意义。

“我们今天可能会有记录,”她说,“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设备,并知道它们的长期性能。”

由于钙钛矿的众所周知的脆弱性,长期测试直到现在还没有太多的关注。但随着这些设备变得更好、使用寿命更长,测试一种设计与另一种设计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)的资深研究员约瑟夫·贝里(Joseph Berry)表示:“这篇论文很可能会成为任何试图在效率和稳定性的交叉点上分析性能的人的一个原型,他专门研究太阳能电池的物理特性,但没有参与这项研究。”。“通过制作一个原型来研究稳定性,并展示[通过加速测试]可以推断出什么,它正在做着我们开始大规模现场测试之前每个人都想看到的工作。它让你能够以一种令人印象深刻的方式进行项目。”

贝里说,虽然效率在过去十年中以惊人的速度提高,但这些设备的稳定性改善得更慢。为了让它们在行业中得到广泛应用和推广,测试需要变得更加复杂。这就是厕所加速老化的原因。

“这些类型的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。”

他们是怎么来的

2020年初,Loo的团队正在研究各种设备架构,以保持相对较高的效率鈥攃将足够的阳光转化为电力,使其更有价值鈥攁钕能在太阳电池寿命期间经受住热、光和湿度的冲击。

Loo实验室的博士后研究员赵晓明(XiaomingZhao)一直在与同事们进行多项设计。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曝光。他们在两个关键组件之间开发了一个超薄的覆盖层:吸收钙钛矿层和由铜盐和其他物质制成的荷电层。目标是防止钙钛矿半导体在数周或数月内烧毁,这是当时的标准。

很难理解这个封盖层有多薄。科学家们用2D这个词来描述它,意思是二维的,就像在没有厚度的东西中一样。实际上,它只有几个原子厚鈥攎比人眼所能看到的最小的东西还要小一百万倍。虽然2D封盖层的想法并不新鲜,但它仍然被认为是一种有前途的新兴技术。NREL的科学家们已经证明,2D层可以极大地改善长距离性能,但还没有人开发出一种装置,将钙钛矿的寿命推到接近20年的商业阈值。

赵和他的同事对这些设计进行了大量的排列,改变了几何图形中的细微细节,改变了层数,并尝试了数十种材料组合。每一种设计都进入了灯箱,在那里他们可以用无情的强光照射敏感设备,并测量其性能随时间的下降。

那年秋天,随着大流行的第一波消退,研究人员回到实验室,以精心协调的方式进行实验,赵注意到数据中有一些奇怪的地方。有一套设备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。

这时,他意识到他需要一种比实时实验更快地对设备进行压力测试的方法。

“我们想要的寿命大约是30年,但你不能用30年来测试你的设备,”赵说。“因此,我们需要某种方法在合理的时间范围内预测寿命。这就是为什么加速老化非常重要的原因。”

新的测试方法通过在加热爆破的同时照亮设备来加速老化过程。这一过程加速了多年定期暴露后自然发生的事情。研究人员选择了四种老化温度,并测量了这四种不同数据流的结果,从典型夏季的基准温度到高于水沸点的230华氏度的极端温度。

然后,他们根据综合数据进行推断,并预测该设备在室温下连续照明数万小时的性能。结果显示,在平均温度为95华氏度的条件下,在连续照明至少五年的情况下,该设备的最高效率将达到80%以上。Loo说,使用标准转换指标,这相当于在新泽西州普林斯顿这样的地区进行30年的室外操作。

NREL的贝里对此表示赞同。“这非常可信,”他说。“一些人仍然希望看到它的结果。但这是一门比许多其他预测尝试更可信的科学。”

太阳能电池的迈克尔·乔丹

钙钛矿型太阳能电池于2006年首创,随后于2009年首次发布。一些最早的设备只持续了几秒钟。其他分钟。在20世纪10年代,设备寿命增长到几天、几周,最后是几个月。2017年,一个来自瑞士的小组发表了一篇关于PSC的开创性论文,持续了整整一年的持续照明。

与此同时,这些设备的效率在同一时期大幅提高。虽然第一台PSC的功率转换效率不到4%,但研究人员多年来将该指标提高了近十倍。这是迄今为止科学家在任何一类可再生能源技术中看到的最快的进步。

那么为什么要推动钙钛矿呢?贝里说,这些最新进展的结合使它们成为人们唯一需要的:新的高效率、让科学家能够进行高度特定应用的非凡“可调性”、以低能量投入在当地制造它们的能力,以及现在对延长寿命的可靠预测,再加上复杂的老化过程,以测试各种设计。

Loo说,并不是PSC将取代硅器件太多,以至于新技术将补充旧技术,使太阳能电池板比现在更便宜、更高效、更耐用,并将太阳能扩展到现代生活中数不清的新领域。例如,她的团队最近展示了一种完全透明的钙钛矿薄膜(具有不同的化学性质),它可以将窗户转变为发电设备,而不改变其外观。其他研究小组已经找到了使用钙钛矿打印光伏油墨的方法,这使得formfactors成为科学家们现在才想到的。

但从长远来看,Berry和Loo的主要优势是:钙钛矿可以在室温下制造,而硅可以在3000华氏度左右锻造。这种能量必须来自某个地方,目前这意味着要燃烧大量化石燃料。

贝里补充道:因为科学家们可以轻松而广泛地调整钙钛矿的性质,所以他们可以让不同的平台顺利地协同工作。这可能是将硅与薄膜和有机光伏等新兴平台结合的关键所在,近年来这些平台也取得了巨大进展。

“这有点像篮球场上的迈克尔·乔丹,”他说。“这本身就很好,但它也让所有其他球员都变得更好。”

标签:行业资讯机械应用新能源汽车
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