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他叫兰东辰,在澳洲留学时师从“光伏之父”、澳大利亚新南威尔士大学的马丁·格林(MartinGreen)院士。如今他在浙大电气工程学院担任百人计划研究员。
最近,其担任一作兼通讯的论文(由兰东辰和马丁·格林院士合作),成为当期Joule的期刊封面。他说:“不仅审稿人对此十分赞赏,Joule的编辑也将把该论文作为当期封面。因为细分组件这个简单易行的方法,对整个薄膜光伏领域来说意义非常重要。”
▲图|兰东辰(来源:兰东辰)
研究中,他提出一系列对抗反向偏压挑战的创新方法。其中,通过增加一道划线将组件细分成更多短条电池的方法,不会显着增加成本,预计会在更多的薄膜光伏技术中应用。
有朝一日,假如钙钛矿光伏技术成功商业化,那么应用此次论文中的串联/并联概念,也能有效降低局部遮阴造成的反向偏压应力。
▲图|当期期刊封面(来源:Joule)
鉴于硅电池已经大规模商业化,其成本较低、且较为稳固耐用,因此钙钛矿一时很难超越。但是,如果利用硅光伏的制备基础,将其与硅相结合的叠层器件,则有望制备一款高效率的优质产品,进而率先打入市场。
据该团队分析,钙钛矿电池与硅的串联,还有助于避开其性质不稳的短板。在此基础上,再稍微降低钙钛矿吸收层带隙,不仅能避免其遭受反向偏压,还有利于高效、稳定地制备钙钛矿子电池,故该方法有望被投入商用。
同时,课题组提出的集成旁路二极管的方法,尤其适合用于薄膜光伏器件。如果顺利投入应用,组件的性能和寿命均将被大幅提升,最终的平准化发电成本也可被大幅降低。
如何让钙钛矿光伏商业化“照进”现实?
太阳能光伏发电技术的深入推进,依赖于平准化能源成本的降低,这不仅取决于光电转换效率和初期成本,也取决于器件寿命和长期稳定工作的能力。
因其出色的能源转换效率和低成本制备潜力,钙钛矿光伏电池被学界认为是新光伏的“潜力股”技术。但其稳定性问题阻碍了大规模的制备,也是其实现商业化的主要挑战。
于外,在导致钙钛矿器件性能、随时间衰退的诸多因素中,比如空气中的水、氧和紫外线等,可通过封装和涂层等进行有效阻挡。但是,仍然很难解决不耐受高温和反向偏压的问题。
于内,由于钙钛矿的本征稳定性差,因此上述外因极易造成不可逆损害。尽管其稳定性一直在稳步提升,但在所有的稳定性测试中,当温度低于85℃时,基于高能源转换效率配方的钙钛矿器件的稳定性会逐渐衰退。
目前,大部分研究聚焦于单一钙钛矿器件在正常工作条件下的稳定性问题。然而经验表明,当单个光伏电池倍增为光伏组件后,这时把电池投入实地应用,可能会面临反向偏压耐受性的问题。
进一步说,光伏组件包含多个电池的串联。在阳光下,当串联电池中某些电池被树叶、灰尘等遮挡后,这些被遮挡的电池就会被置于反向偏压。
反向偏压不仅会损坏电池。而且在反向偏压条件下,当电池导通电流、或者被反向电压击穿时,就会造成局部温度骤升,从而带来更严重的破坏和安全隐患。
尽管该问题非常重要,但并未引起领域内的足够重视。反向偏压和与之相关的局部高温问题,不仅对钙钛矿器件的长期稳定工作是一个巨大挑战,也对本征性质较为稳定的硅光伏器件造成威胁。
硅不仅比钙钛矿更稳固,而且具有良好的导热性,这有助于防止硅电池的局部热量积聚。但是,导热性差、以及稳定性差这两个短板,意味着钙钛矿光伏在迈向商业化的过程中,会比硅面临更大的挑战。
要让钙钛矿光伏商业化成为现实,必须解决高温难题和反向偏压挑战,因此更需要在方法上有所创新。
此外,当钙钛矿光伏电池倍增成为组件后,还会面临新挑战。基于此,在本次工作中,兰东辰和同事探索了应对反向偏压的各种策略,再依此设计合适的解决方案,为实现钙钛矿组件在实地条件下的长期稳定工作提供了全新思路。
具体来说,针对钙钛矿倍增后面临的新挑战,一方面课题组通过分析发现,假如钙钛矿组件遭到局部遮阴,反向偏压会造成局部的温度远高于85℃,即远高于目前的稳定性测试温度。
例如,局部寄生分流的缺陷所产生的功率耗散,由于钙钛矿组件的平面散热能力比硅组件低了一个数量级,以玻璃为基底的刚性钙钛矿组件的寄生分流缺陷升温可达硅的5倍。
▲图|刚性钙钛矿光伏组件中的温度上升与硅组件的温度上升对比(来源:Joule)
另一方面,在反向偏压条件下,钙钛矿组件的稳定性问题也亟需予以研究。此前,已有少数学者开展了反向偏压的稳定性问题研究,并认为较低的反向偏压不会对器件造成不可逆的损害。
但是在实验中,器件被置于反向偏压的时间通常只有几分钟。目前尚不知道如果持续较长时间,比如一整天的光照之后,器件性能还能恢复吗?
再如,当把器件置于反向偏压后,其性能恢复需要时间,这显然会影响组件的整体输出功率。所以,如何让器件性能在消除反向偏压后也能快速恢复,也是迫切需要解决的难题,同时也是稳定性测试需要考虑的又一因素。
此前的研究,往往聚焦于改善钙钛矿器件的本征稳定性,但由于问题很复杂,预计这会是一个漫长的过程。
因此,该团队设想能否通过限制局部升温和反向偏压的大小,即限制这些外因作用,来实现组件在实地条件下的长期稳定工作?如能实现,还会让器件的性能和寿命也得到额外益处。
在限制反向偏压的现有方案中,人们在硅组件中采用了旁路二极管,以用于保护多个串联在一起的电池。但对于当下的薄膜光伏组件、例如FirstSolar公司的碲化镉组件来说,均无法采用该方案。
因为对于薄膜组件来说,接入传统旁路二极管的布线不仅复杂,还会造成过高的串联寄生电阻,进而影响组件性能,对于钙钛矿薄膜组件来说亦是如此。
为此,在薄膜组件上,目前多采用垂直长条电池布局。当每个电池被水平方向的影子均匀遮挡时,组件内不存在反向偏压应力。
为了限制任意形状的遮阴、给组件内部带来的反向偏压应力,研究人员建议在钙钛矿组件里采用串联/并联的短条电池布局。这一方法简单且通用,只需在薄膜光伏组件的标准划线工艺上,增加一道激光划线工序即可。
▲图|薄膜光伏组件的垂直长条电池布局(左)对比串联/并联的短条电池布局(中、右)(来源:Joule)
同时,为串联/并联的每个电池提供旁路保护,无疑能最大限度提高整体效率和使用寿命,因为它能保证在组件出现局部遮阴时,所有未被遮挡的好电池可以继续发电,而被遮挡的电池只需承受最小的反向偏压。
前提得解决成本难题和可行性问题,也即解决旁路二极管布线问题。集成旁路二极管可通过常见的低成本方法来制备,并且无需额外布线,因此有望成为商业化可行方案。
而对于由垂直条状电池形成的组件,则要采取横向旁路布局、即在负偏压时使电流流经电池宽度的设计,再辅以嵌入式散热层和基于热扩散长度优化的单个电池长度,这样即使在最坏的情况下,也能将组件的局部升温控制在40℃以下,同时对主电池区域给予保护。
需要指出的是,集成旁路保护区通常占据单个器件总受光面的10%以内,如果将其置于组件中相邻电池的下方,整个组件就不会产生入射光的损失。同时,该方案具备继续优化的潜力,未来可进一步降低旁路保护区在反向偏压导通时的温度。
此外,通过控制器件的反向导通电压,以便在器件承受反向偏压时、形成温和均匀发热的能力,已在美国SunPower公司的Maxeon产品实现。
但其依赖于硅重掺杂区域的良好稳定性,而由于钙钛矿的稳定性较差,故该技术可能无法直接应用。不过,仍可据此设计出更适合钙钛矿的平行方案。
另据悉,在控制钙钛矿电池的反向偏压上,单片钙钛矿/硅叠层器件除了产生效率更高,还具备另外两个优势:
其一,当把钙钛矿电池和硅电池串联,由于硅电池的反向击穿电压很大,从而能保护钙钛矿电池免受反向击穿。
其二,当遭遇更大的反向偏压时,保护单片钙钛矿/硅叠层器件免受反向击穿的方法较简单,由于单片叠层组件是加盖了钙钛矿层的硅组件,所以传统硅组件中接入旁路二极管的方案可被直接采用。
此外,该团队发现适当地降低钙钛矿层的能带隙,能在某些条件下防止硅电池驱使钙钛矿电池承受反向偏压。通过计算,发现对于叠层的高效输出来说,此方法的副作用很小。
课题组还指出,控制温度、反向偏压等外因作用,除了成为实现钙钛矿光伏长期稳定的替代途径,还可提高器件性能。也能在一定程度上,放宽对于材料本征稳定性的严苛要求。
近日,相关论文以《对抗钙钛矿太阳能电池面临的温度和反向偏压挑战》(Combattingtemperatureandreverse-biaschallengesfacingperovskitesolarcells)为题,发表在Joule上(IF46),并成为当期封面论文[1]。
▲图|相关论文(来源:Joule)
论文审稿非常顺利,第一轮就有两位审稿人推荐直接接受。他们一致认为,反向偏压问题是钙钛矿光伏商业化的最大挑战,但尚未引起重视。
并表示该团队对温度的计算、以及钙钛矿倍增成组件后的新挑战的分析,都是很新颖的内容。其还赞扬此次论文中提议的解决方案,比如增加一划线步骤细分组件、集成旁路二极管和单片叠层的建议,将给钙钛矿光伏的未来发展带来深刻启示,这种贡献对该领域是非常宝贵且亟需的。
▲图|马丁·格林(来源:资料图)
发散思考与创新
据介绍,在实地条件下,除了能源转换效率,器件能否长期稳定地工作,直接决定了该技术能否大规模应用。
根据硅光伏组件的实地应用经验来看,由于遮阴、导致组件被置于反向偏压时,会给电池带来热斑效应,进而对安全和使用寿命构成威胁。
然而,反向偏压的挑战,此前并未在钙钛矿研究中得到重视。随着钙钛矿光伏逐步迈向商业化,解决反向偏压的影响,势必越来越重要。
在该团队决定研究这一课题后,首先便是通过建模分析发现新问题。对于钙钛矿光伏来说,由于商业品级的大尺寸实用组件尚未问世,反向偏压造成的热斑温度到底有多高,仍是个未知数,故需要借助模型进行预测。
通过调研研究人员认为,现成的模拟方法很难直接应用。同时,解析能力的不足,也限制了他们对于问题的理解。
因此,课题组依据热传导的物理机制,建立了新的传热方程,它不仅能准确预测在不同条件下器件能达到的温度,并且由于其形似半导体连续方程,故能据此来定义热扩散的长度。这一步骤的完工,也为后面的热分析和散热设计做出铺垫。
借助模型,课题组发现当置于反向偏压时,钙钛矿器件比硅更易达到高温,甚至可以远超85℃。此外,根据相关物理参数,他们也对控制热斑效应有了初步思路。
在解决方案的探索上,大家首先能想到的就是旁路二极管保护,因为这是已发展成熟的硅光伏组件的惯用保护措施。
但细想一下,钙钛矿光伏毕竟是一种薄膜光伏技术,于是他们调研了薄膜光伏产品的“标杆”——美国FirstSolar公司的碲化镉组件,它们并没有采用旁路二极管,原因在于传统的接入旁路二极管的方案不适合薄膜器件。
另外,钙钛矿器件的反向击穿电压低,因此给每个电池都连接一个旁路二极管、以防止反向击穿,也是不现实的。
考虑到这个因素,领域内有人提议利用其在低电压均匀的反向击穿,来实现较低的热耗散。但这样做的前提,是器件被置于反向偏压时必须保持稳定。所以,该方案并不适用于目前的钙钛矿器件。
这时,娱乐世界测速∣资讯∣攻略就得继续创新。一种思路是对传统方案不可行的点,比如薄膜组件接入二极管的布线问题进行革新。集成电路的无需额外布线,成为他们创新思路的来源。经过一番研究,该团队想出了设计集成旁路二极管的方法。
另外,他们偶然得知FirstSolar公司的最新碲化镉组件,被细分成很多小电池,这种串联/并联连接方式,对局部遮阴部位的反向偏压有何影响?再比如,在单片钙钛矿-硅叠层器件中,钙钛矿电池与硅电池是串联的,这对反向偏压又有何影响?
通过这些发散思考,课题组构思出了应对反向偏压的新策略,并根据自创模型和热扩散长度的概念,对方案予以优化。
从美国FirstSolar公司的碲化镉组件获得灵感,适用于所有薄膜光伏
兰东辰说,在应对钙钛矿反向偏压挑战的策略中,细分组件是最简易可行、和最通用的方法,也适用于所有薄膜光伏技术。
不过,该方法的发现纯属偶然。在调研文献时,除了想弄清楚钙钛矿光伏的最新进展,该团队也想了解已被商业化的技术进展,不仅包括硅、还应包括薄膜技术。
为此,他们才重点调研了FirstSolar公司的碲化镉组件。兰东辰说:“在一次观看FirstSolar公司展示碲化镉薄膜组件的制备视频时,我们注意到其最新的制备过程比传统制备增加了一道激光划线步骤,即将组件内一个个长条状的电池切割成更多的短条电池,该方法从未被公开讨论过,于是我们也开始思考FirstSolar公司这样做的原因。”
起初,他们认为将组件进一步细分成短条电池,有助于将局部缺陷限定在更小的短条电池内,从而减少对整体输出功率的影响。
但同时也意识到细分后,组件由长条电池的串联变成短条电池的串联/并联。于是,他们开始分析这种方案对反向偏压的影响。
兰东辰表示:“我的研究兴趣十分广泛,因为我相信新的知识容易在看似不同的领域之间产生。这项工作面向新型光伏技术的商业化挑战,但我一直在做很多比较基础的研究,尤其是涉及二极管器件物理方面的。例如,我最近与合作伙伴在NatureCommunications上发表的论文,揭示了发光二极管在超低电压下的发光机理。”其表示:“我们解决问题的灵感,正是源于在看似不同的光伏领域的经验和知识的交叉。”
据介绍,兰东辰课题组聚焦光电子前沿领域,如各种新型光伏、发光器件,致力于关键问题的突破和原始创新。
团队长期欢迎有志于探索光电领域前沿的优秀同学,以及具有光电子器件、半导体物理、光学、材料等相关学术背景的博士后、科研人员、访问学者等加盟与合作。
接下来,兰东辰计划回归器件的基础,利用自己在器件分析和多维表征的经验优势,寻找限制这类新型器件性能和稳定性瓶颈的突破口。
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