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【光伏】Joule: 深度解读！脉冲疗法，提高钙钛矿电池稳定性！

时间：2022-05-09 来源： 浏览：

【光伏】Joule: 深度解读！脉冲疗法，提高钙钛矿电池稳定性！

知光谷 能源技术情报
能源技术情报

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收录于合集

第一作者： Kiwan Jeong

通讯作者： Namyoung Ahn和Mansoo Choi

通讯单位： 首尔国立大学

研究亮点

1.     反向脉冲有效稳定钙钛矿器件的充电和离子迁移

2.     脉冲疗法（PT）通过愈合缺陷定期恢复退化的光电流

3.     PT大大提高了操作稳定性和捕获能量

  一、研究背景
研究表明，钙钛矿太阳电池商业化的当前最大挑战是确保长期稳定性。
二、主要内容
有鉴于此， 首尔国立大学NamyoungAhn和Mansoo Choi团队 开发了脉冲疗法，通过在最大功率点跟踪（MPPT）中间解决电荷和离子的积累，可以恢复退化设备并最终延长设备寿命。在该技术中，短时间内重复施加反向偏差以消除累积的电荷并重新分配在功率收集期间迁移的离子而没有任何操作暂停。
有趣的是，该疗法不仅可以延迟不可逆的退化，而且可以在短暂的反向偏差后立即恢复退化的功率。在治疗期间对光致发光强度和光电流动力学的现场测量证实，由于放电和离子再分布，新形成的缺陷可以被湮灭，其特征在于抑制缺陷形成和不可逆降解。在长期试验中，作者观察到器件稳定性和总捕获能量的显著提高。这项研究以“Pulsatile therapy for perovskite solar cells”为题发表在 Joule 上。
三、内容详情
1. 电偏压对器件稳定性的影响
作者分别通过（1）在不同电气条件下浸泡的器件稳定性的研究及（2）连续偏置100小时的情况下对采集的电力进行跟踪来研究电偏压对器件稳定性的影响。结果表明MPPT和SC条件均显示出比OC条件更慢的降解，但在SC条件下观察到最稳定的操作。不同的偏压明显影响了器件的稳定性，并在退化中发挥了重要作用。对于钙钛矿型太阳电池的长期运行，在电荷累积（光电压）和萃取（光电流）之间会有一个最佳的平衡。表明钙钛矿器件可以通过适当的电操作来稳定，以减轻钙钛矿降解的两个主要因素。

图1偏压相关的器件稳定性
2. 脉冲疗法及其疗效
作者证明脉冲MPPT系统可以在短时间内恢复已降解的器件和稳定器件，并最终在长期测试中获得更高的功率。该系统的主要思想是通过编程算法周期性地施加反向偏置的短电脉冲以提取累积电荷并在MPPT操作期间重新分布迁移的离子。在系统中， I-V 扫描每3到5小时进行一次，然后自动评估设备状态。从更新的 I-V 曲线，计算MPPT和RP的偏置幅度并更新到下一个功率收集步骤。在收获阶段，MPPT和短反向脉冲步骤交替重复，直到下一个 I-V 扫描。

图2 钙钛矿太阳电池的脉冲疗法

图3 脉冲疗法下的光致发光强度和光电流动力学
3. 脉冲疗法抑制缺陷形成
作者分别在MPPT和PT下测试的两个器件的 I-V 曲线，还研究了它们的 I-V 曲线的滞后特性，以分析脉冲疗法对于缺陷的影响。结果表明，MPPT测试器件的滞后指数（HI）比PT的情况增加得更快，直到在操作时间120小时开始出现特殊形状。退化器件中界面处的电荷累积导致HI随时间增加，但是只有在MPPT的情况下才能观察到 I-V 曲线中特殊形状的出现，而在PT下测试的器件的 I-V 曲线保持其典型的形状直到500小时。
作者成功地模拟了MPPT测试设备的两次偏转 I-V 曲线。模拟曲线与测量的 I-V 曲线非常一致，这意味着标准MPPT操作触发二次复合路径的出现。引人注目的是，在500小时的长期测试中没有观察到奇特的形状，500小时的 I-V 曲线通过使用单个二极管电路建模很好地拟合。 这表明在PT下测试的器件中没有形成额外的复合路径。
通过飞行时间二次离子质谱和X射线衍射技术严格检查在MPPT或PT下测试300小时的器件。在长期测试器件的钙钛矿晶体的XRD图中也发现了PT的明显效果。300小时MPPT、PT和新器件XRD测试结果显示，基于FA的钙钛矿具有立方 Pm-3m 相。两种情况下连续运行300小时后仍保持立方相，但在14℃时（100）峰的位置发生了显着变化。这种转变源于由于额外应变引起的晶体结构变形，表明在降解过程中缺陷增加。PT测试器件的峰值位置略有变化，这是PT治疗中有效抑制缺陷形成的明确证据。还观察到PbI 2 峰的相对强度仅在MPPT操作的情况下显着增加了很多，这表明在MPPT操作期间额外形成PbI 2 物种。在新形成的缺陷中通过电荷俘获加速钙钛矿晶体分解成有机卤化物和PbI 2 ，这可以解释在MPPT测试器件中进一步产生PbI 2 。
根据操作类型研究并比较钙钛矿层的形态变化，作者在所测试的MPPT的扫描电子显微镜（SEM）图像中观察到更多的空隙和白色颗粒钙钛矿膜，表明产生了大量的PbI 2 和气态有机卤化物和I 2 蒸发。PT通过抑制缺陷形成有效地防止了形态变化，这与上述XRD结果非常一致。

图4 缺陷抑制
  1. 4.     脉冲疗法的缺陷愈合机制
作者提出了PT的愈合作用的简单机制，其中卤化物间质缺陷作为可逆化学资源起决定性作用。标准MPPT操作过程中卤化物缺陷的不可逆化学过程中当钙钛矿太阳电池在电偏压和光照下工作时，电荷载流子和离子开始通过扩散漂移模型移动，载流子和离子都相对集中在界面上。由于中性间隙缺陷占据深层状态，钙钛矿晶体不再具有缺陷耐受性，导致陷阱辅助复合。
这些缺陷充当产生三碘化物、碘和碘化铅，从而导致钙钛矿经历永久性材料降解。在PT系统中，周期性反向脉冲重新分配卤化物离子并提取累积电荷，从而降低界面处反应物的浓度。卤化物缺陷从深层状态返回到浅层状态，这使得钙钛矿能够返回到耐缺陷状态。愈合过程还通过降低深层缺陷的浓度来抑制永久性降解，最终导致性能的高度可持续性。
四、总结
PT是第一种通过施加反向偏置的短电脉冲而无需暂停操作来固化和恢复降解的钙钛矿太阳电池的技术。实验证明该疗法不仅可以延缓不可逆的降解，还可以通过提取电荷和重新分配离子，以可逆的方式有效治愈受损性能。基于MA和FA的钙钛矿均显示出相似的功效，即降解速度减慢以及可逆地恢复降解功率。作者从原位UPL强度和PC动力学验证了PT抑制了不利缺陷的形成甚至通过在短的反向偏压中减轻电荷和离子的积累来诱导缺陷愈合，最终导致光电流的恢复和器件退化的延迟。
通过这种新颖但尚未完全优化的方法，作者不仅证明了500小时操作后器件稳定性和总收集能量的显着改善，而且通过清楚地解释如何通过以下方式恢复降解的钙钛矿器件，促进了对钙钛矿降解的科学认识。缺陷协助的复合可能通过脉冲疗法抑制连续操作500小时，这与PL动力学实验非常一致。为了实现PT的实际实施，两种商业化电力电子器件的技术组合或向太阳充电控制器添加极性反转功能将满足定期应用MPPT和反向偏置的要求。这项研究提出了一种前所未有的技术方法来快速治愈钙钛矿太阳电池器件并延长其寿命，为实现钙钛矿太阳电池商业化提供了可能性。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435122001453

同步辐射丨球差电镜丨FIB-TEM

原位XPS、原位XRD、原位Raman、原位FTIR

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