杨阳/游经碧Nat. Commun. : 呼吁钙钛矿器件的稳定性标准化!
坡肉先生 纳米人 2018-12-16

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第一作者:Lei Meng

通讯作者:游经碧,杨阳

通讯单位:中国科学院半导体研究所,加利福尼亚大学洛杉矶分校


评论重点:

1. 钙钛矿光伏器件稳定性的问题;

2. 统一稳定性测试和加速老化测试;

3. 钙钛矿光伏器件的真实成本。

 

将光伏技术从实验室转化为商业产品时,低成本,高效率,高稳定性是必须考虑的三个关键指标。作为最有前景的高效光伏材料,有机-无机杂化钙钛矿(Perovskite)引起了基础研究的极大关注。十年间,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经突破23.7%,然而,器件的稳定性是阻碍其商业化进程的最大阻碍。因其稳定性测试条件五花八门,所以很难理性地评判其商业化价值。


鉴于此,杨阳联合游经碧课题组评述了钙钛矿的稳定性问题,并且呼吁PSCs的稳定性测试的标准化协议尽可能与硅太阳能电池工业标准匹配。


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图1钙钛矿和硅太阳能电池对比图


除了效率之外,稳定性和成本,即金三角,还被认为是衡量光伏技术商业化的技术可行性(图1)。在当前光伏市场,超过90%的份额由硅基商业化光伏技术承担,模块效率为21%,寿命长达25年以上且成本低廉0.3$ W-1。相比之下,钙钛矿光伏器件的制造成本约为Si的一半,但是,钙钛矿的稳定性太阳能电池是致命的问题。到目前为止,钙钛矿光伏器件的最长寿命约为一年,短寿命是阻碍钙钛矿光伏商业化的主要障碍。


钙钛矿的不稳定性有三个主要的内在因素:吸湿性,热不稳定性和离子迁移。目前已有诸多策略从钙钛矿层,电子传输层,空穴传输层以及电极等方面进行改善,稳定性也有很大程度的提高。然而,钙钛矿光伏距离其商业化还有很长的路要走。


目前公布的稳定性测试是一个很宽泛的非标准条件,使其无法比较不同实验室之间的寿命测试。在这里,研究人员提议在25°C,封装或惰性气体保护下,最大功率点(MPP)跟踪测试。在高度潮湿的条件下进行测试应该是加速老化测试的一部分。在下一步接近工业标准(如IEC 61215和61646国际标准分别是Si基和薄膜太阳能电池的老化标准,即:在85°C和85%相对湿度条件,稳定1000小时以上。),必须确定光伏组件承受长期湿气渗透的能力。为了避免封装过程的不确定因素干扰,更简单的加速老化测试的方法是在干燥氮气环境下,在热板或烘箱中85°C测试。同时,封装技术很容易从OLED工业中获得,并且能够使钙钛矿组件进行更严格和系统的测试。同时,遵循工业标准,组件测试应包含更高温度,光强度和湿度等一系列测试功能。目前的目标是建立钙钛矿光伏组件的加速老化寿命和实际寿命之间的关系,重点是在85°C和85%相对湿度下,实现1000小时的寿命(其初始效率保持80%)


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图2钙钛矿光伏稳定性和平准化的能源成本

 

平准化的能源成本(LCOE)是一个反映潜在光伏技术的成本竞争力的绩效指标。LCOE的定义为单位成本的净现值,即功率单位成本等于总成本成本除以总功率输出。LCOE优点在于考虑了PV中的“金三角”的三个关键参数。如果模块PCE增加,则按比例增加较高的总功率输出,这会减少单位功率成本,即按比例降低LCOE。或者,延长光伏组件的寿命也可以降低LCOE。图2是钙钛矿光伏组件与寿命相关曲线,LCOE的依赖性很接近“反比例”。鉴于LCOE值,当效率已经很高时,应将重点放在光伏组件的稳定性研究。要与主流的Si光伏组件竞争(PCE为21%),钙钛矿PV的LCOE必须达到5.50美分/kWh。根据LCOE计算结果,钙钛矿光伏组件(PCE为19%和模组面积>100 cm2)的寿命15年,这是其商业化的最低门槛。

 

与传统光伏发电相比,钙钛矿光伏组件具有效率高和良好的加工性,更高稳定性问题是其商业化的最后技术障碍。需要在材料开发和器件设计方面进行深入研究,以实现高长寿命。最后,呼吁考虑采用标准化协议来考量钙钛矿太阳能电池组件稳定性,并在此基础上对性能进行合理公平的评估。


该工作得到了北京理工大学的陈棋教授,上海交通大学的韩礼元教授以及Sunshine PV公司的William Hou博士的大力支持。



参考文献:

Meng, L., You, J. & Yang, Y.Addressing the stability issue of perovskite solar cells for commercial applications. Nat. Commun. 9, 5265

Doi:10.1038/s41467-018-07255-1.

https://doi.org/10.1038/s41467-018-07255-1

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