科技 新浪科技 Science:鈣鈦礦電池封裝技術邁向商業化

Science:鈣鈦礦電池封裝技術邁向商業化

新浪科技 2020-06-29 15:44

原標題:Science:鈣鈦礦電池封裝技術邁向商業化

原創 長光所Light中心 中國光學

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封面圖來源:Reuters

撰稿 | 何甯之

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導讀

近日,澳大利亞先進光電中心的石磊博士和悉尼大學 Anita Ho-Baillie 教授等人利用氣相色譜質譜聯用技術研究了封裝的鈣鈦礦太陽能電池體系,發現聚合物-玻璃「毯蓋」式封裝技術(EncapsulationTechnique)能夠形成絕對密閉的體系,極大提高了鈣鈦礦太陽能電池的工作壽命,將鈣鈦礦太陽能電池的商業化應用向前推進了一大步,該工作在 Science 上發表,引起了科學家們的廣泛關注,為此西班牙薩拉戈薩大學 Emilio J. Juarez-Perez 和 Marta Haro 在Science 上發表了題為 Perovskite solar cells take a step forward 的評論型文章。

02

背景介紹

鈣鈦礦太陽能電池作為第三代太陽能電池中最耀眼的明星,在短短十年內其能量轉化效率從3.8% 提升到了25.2%,而且由於其低廉的製造成本,有望在脫碳能源領域發揮巨大的作用。但是,由於鈣鈦礦太陽能電池中的各功能層材料對空氣中的水蒸汽、氧氣,紫外光,壓力等比較敏感,大大縮短了使用壽命。封裝技術能夠有效地將工作元件與外界環境隔離,防止各種雜質的污染和腐蝕,是一種提高精密電子元器件使用壽命的方法。其實,封裝技術在我們的生活中早已經有了廣泛的應用,如晶元的集成電路,LED顯示器,手機OLED屏幕等都採用了封裝技術以保證器件的高效穩定運行。

目前,常見的鈣鈦礦太陽能的電池封裝技術有兩種:

第一種(1st generation)封裝技術是使用蒸發金屬噴射器和焊接金屬帶將電流從電池傳導到外部,並將金屬帶的邊緣密封,器件位於封閉空腔中心。

第二種(2nd generation)封裝技術是利用透明的ITO電極將鈣鈦礦與金屬電極分離,確保電極與PSCs之間有一定的橫向間隙,封裝的一邊直接是ITO電極,進而可以更好的密封整個器件。這兩種都是「封邊」式封裝技術。

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圖1 第一代封裝技術和第二代封裝技術的頂視圖、側視圖及實物圖

圖片來源:Rongrong Cheacharoen, Caleb C., et al.,Encapsulating perovskite solar cells to withstand damp heat and thermalcycling. Sustainable Energy Fuels, 2018, 2, 2398–2406

運用於封裝的聚合物材料一般具有優異的絕緣性,熱塑性和一定的機械強度,緻密的封裝層能夠有效隔絕空氣中的水和氧氣,可以實現低成本的大面積封裝。常見的封裝材料有聚異丁烯、聚乙烯、熱塑性聚氨酯、乙烯乙酸乙烯酯和環化全氟聚合物等。

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圖 2 幾種製備聚合物封裝層的操作條件

圖片來源:Matteocci, F., et al., Encapsulation for long-termstability enhancement of perovskite solar cells. Nano Energy, 2016.30: p. 162-172.

文章中報道了一種新的聚合物-玻璃「毯蓋」式封裝技術讓鈣鈦礦太陽能電池在IEC 61215:2016標準測試條件下工作4000h後效率仍舊保持在95%以上。通過氣相色譜質譜聯用技術檢測發現,絕對密閉的封裝能夠有效防止各種分解產生的氣體分子的擴散,維持了體系的平衡,並且殘留的蒸汽能夠在夜間促進鈣鈦礦的再生,鈣鈦礦的再生的過程讓電池的循環使用壽命增加。

「毯蓋」式封裝技術,即用聚合物將整個器件包覆起來,使器件與聚合物緊密接觸,內部不存在任何的空腔。有趣的是,作者在封裝的電池表面加蓋了一層玻璃(Cover Glass),能夠有效阻止鈣鈦礦分解產生的CH3Br 和NH3的溢出,而單獨的聚合物封裝是不能達到這一的效果的。聚合物作用不僅僅是水汽的阻隔劑,也充當鈣鈦礦太陽能電池與蓋板玻璃之間的強力粘結劑,進一步加強了體系的密閉性能。

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圖3 「毯蓋」式封裝和「封邊」式封裝的橫斷面示意圖

圖片來源:Shi, L., et al., Gas chromatography-mass spectrometryanalyses of encapsulated stable perovskite solar cells. Science, 2020.368(6497). eaba2412.

作者運用聚異丁烯和聚烯烴封裝鈣鈦礦太陽能電池,並進行了濕熱和濕度凍結測試,溫度範圍為 -40℃~80℃。結果發現,採用這種封裝技術的電池在工作1800h后未發生降解,遠遠超過了測試標準中提出的1000h要求,測試后電池的短路電流密度,開路電壓仍舊保持穩定,這樣的現象在含有甲胺離子的鈣鈦礦太陽能電池中普遍存在。

該工作表明,使用簡單、低成本的聚異丁烯或聚烯烴基聚合物-玻璃組合封裝技術能夠使有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池具有優異的耐久性。值得注意的是,一直以來,甲銨離子的低的熱穩定性一直是高穩定鈣鈦礦太陽能電池所避免的事情,然而這些電池卻可以經受最嚴酷的凍結濕度測試。聚合物-玻璃「毯蓋」式封裝技術能夠實現封裝的絕對密閉性,形成了一個穩定的工作環境,防止分解的產物從體系中溢出,進而極大提高了鈣鈦礦太陽能電池的使用壽命。該工作為設計更穩定的鈣鈦礦太陽能電池提供了新的思路,極大推進了鈣鈦礦太陽能電池的商業化應用。

文章信息:

[1].Shi, L., et al., Gas chromatography-mass spectrometry analyses of encapsulated stable perovskite solar cells. Science, 2020. 368(6497). eaba2412.

論文地址:https://science.sciencemag.org/content/368/6497/eaba2412

[2]. Juarez-Perez, E.J. and M. Haro, Perovskite solar cells take a step forward. Science, 2020. 368(6497): p. 1309-1309.

論文地址:https://science.sciencemag.org/content/368/6497/1309

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