为什么太阳能电池也得涂“防晒霜”?

 天顺注册招商   2021-04-08 07:52   10 人阅读  0 条评论
原标题:为什么太阳能电池也得涂“防晒霜”?

来源:科学大院

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转眼间,又到了需要和紫外线斗智斗勇的季节。为了避免收获一句“你最近变黑了耶”的友好评价,俊男靓女们采取了包括但不限于涂防晒、昼伏夜出的各种方式以求心安。有人还祈愿来生变成一块太阳能电池,做到不怕晒、晒不怕,甚至还能“用爱发电”。

但事实并没有那么简单——太阳能电池其实也要上“防晒霜”

为什么太阳能电池也得涂“防晒霜”?  第1张

(图片来源:pixabay)

要转世成太阳能电池,你得家里有矿

太阳能电池是一种可以直接将光能转化为电能的装置,历经了三个阶段的发展:从单晶硅太阳能电池到薄膜太阳能电池,再到钙钛矿太阳能电池。(点此回顾有关太阳能电池的知识点 )其中,杂化钙钛矿太阳能电池凭借着出色的光电转换效率,引起了能源科学家的广泛关注。

自2009年来,钙钛矿太阳能电池的光电转化性能取得突飞猛进的发展。从2009年到2021年,其光电转换效率从3.8%一下子跃升至25.5%,提高了近7倍。当前,钙钛矿太阳能电池的学术研究仍然十分活跃,其产业化前景也非常广阔,这是由于钙钛矿太阳能电池光电转换效率已经接近并部分超过了硅基太阳能电池,并且生产成本远低于后者。

此外,传统晶硅电池寿命一般可达到25年,与之相比,诞生于2009年的第一块钙钛矿太阳能电池寿命只有3分钟,发展到现在寿命已经超过10000小时。随着钙钛矿太阳能电池性能取得突破性进展,人们越来越认识到,电池的长期稳定性是决定其能否大规模商业化应用的因素

为什么太阳能电池也得涂“防晒霜”?  第2张

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钙钛矿太阳能电池

钙钛矿材料元素的“塑料友情”

问题来了:是什么在影响钙钛矿太阳能电池的稳定性?

由于钙钛矿材料组分元素之间具有弱键合作用,使得钙钛矿易于分解,也造成钙钛矿电池稳定性降低。在正常的工作条件下,钙钛矿材料在受到光照、温度、水、氧等作用的影响会发生离子移动,从而产生大量结构缺陷,并最终发生分解。其中,经过分解游离的离子还会与电子传输层、空穴传输层或者电极层相互作用,进一步破坏光生电荷分离和提取能力,从而导致整体钙钛矿光电器件效率显著降低并无法保持稳定的器件性能

为解决这一难题,目前多是通过界面钝化、界面修饰(疏水处理等)以及封装等方式提高器件对温度、水和氧的稳定性然而对器件的光稳定性研究相对较少,对在钙钛矿光电器件实际工作中不可避免的紫外光对器件的破坏作用尚未清晰了解。要想稳定“柔弱怕晒”的钙钛矿,先要知道太阳光是怎么导致钙钛矿材料降解的。

给钙钛矿太阳能电池“上防晒霜”

同样也要看波段

在入手防晒霜之前,需要知道一些有关紫外线的知识。太阳光照射至地球表面其紫外光的辐照强度平均达4.61mW/cm2,尽管有臭氧层的保护可以去除太阳光中的部分波段的紫外光,但是仍有较强的紫外线包括UVa(320-400nm)和UVb (280-320 nm)可以照射地球表面,其中UVb波段的紫外光破坏能力最强,极易降解钙钛矿,从而影响器件的光电转换效率以及光稳定性(UVb波段的紫外线通常也是导致你晒红、晒伤的元凶)。

为缓解紫外线对钙钛矿太阳能电池的影响,目前多采用在光源处添加紫外线过滤器,避免使用具有紫外降解作用的二氧化钛等材料,或者是添加具有上转换性质的材料,吸收或者是过滤光源中紫外波段的光等方式。在实际应用过程中,给太阳光添加紫外滤镜比较困难,因此,科研人员考虑在钙钛矿中添加功能材料来解决这个问题,同时需要考虑所添加材料的功能基团,配位以及光电等性质

确定思路之后,中国科学院化学研究所绿色印刷实验室宋延林研究员课题组的研究人员利用在紫外光照条件下具有分子异构功能的2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮作为钙钛矿的“防晒霜”引入钙太阳能电池活性层。这一材料不仅可以保护钙钛矿太阳能电池免受紫外线损伤降解,还可以在紫外光照射下通过分子构型转变(指分子中基团或原子在空间分布的几何形状变化,在这之后可以暴露出高活性的功能基团)和缺陷相互作用,从而钝化缺陷。

这样一种防晒策略是有效的——它增强了器件的抗紫外线能力,并将缺陷形成能(即为形成缺陷需要的能量)提高到-1.35eV,也就提高了钙钛矿薄膜的稳定性。含“防晒霜”的钙钛矿太阳能电池表现出23.09%光电转换效率和优异的紫外稳定性。

为什么太阳能电池也得涂“防晒霜”?  第3张

钙钛矿防晒原理

为什么太阳能电池也得涂“防晒霜”?  第4张

防晒钙钛矿光电性能测试

宋延林研究员团队将具有紫外异构功能防晒霜分子添加至钙钛矿薄膜中,使其在UVb 285nm(1.35mWcm-2)辐照条件下发生构型变化后可有效的钝化钙钛矿活性层中的缺陷,减低非辐射复合。(按照复合时释放能量的方式不同,复合可分为辐射复合和非辐射复合。以除光子辐射之外的其他方式释放能量的复合称为非辐射复合。),且提高器件的载流子寿命(载流子指在热平衡条件下,电子不断地由价带激发到导带,产生电子空穴对。平衡时,电子与空穴的产生率等于复合率,从而使半导体中载流子的密度维持恒定。载流子间的复合使载流子逐渐消失,这种载流子平均存在的时间,就称之为载流子寿命)。

最终,添加防晒霜的钙钛矿太阳能电池表现出最高的效率为23.09% (0.04 cm2)和19.73% (1.00 cm2),以及在长期紫外线(UVa: 365 nm和UVb: 285 nm)照射条件下优异的光稳定性。此种构建防晒方法,为解决商业化钙钛矿光电转换器件紫外光稳定性提供了一种新策略。

或许在不久的将来,在使用寿命上,钙钛矿太阳能电池能真正做到“一节更比六节强”,而连太阳能电池都要上“防晒霜”了,你又有什么理由不好好涂防晒呢?

作者单位:中国科学院化学研究所

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