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Science:钙钛矿电池封装技术迈向商业化_大学思政

作者: 杨超月 发布时间: 2020年06月30日 11:47:07

原创 长光所Light中心 中国光学

Science:钙钛矿电池封装技术迈向商业化_大学思政

封面图来源:Reuters
撰稿 | 何甯之
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导读
近日,澳大利亚先进光电中心的石磊博士和悉尼大学 Anita Ho-Baillie 教授等人利用气相色谱质谱联用技术研究了封装的钙钛矿太阳能电池体系,发现聚合物-玻璃“毯盖”式封装技术(EncapsulationTechnique)能够形成绝对密闭的体系,极大提高了钙钛矿太阳能电池的工作寿命,将钙钛矿太阳能电池的商业化应用向前推进了一大步,该工作在 Science 上发表,引起了科学家们的广泛关注,为此西班牙萨拉戈萨大学 Emilio J. Juarez-Perez 和 Marta Haro 在Science 上发表了题为 Perovskite solar cells take a step forward 的评论型文章。
02
背景介绍
钙钛矿太阳能电池作为第三代太阳能电池中最耀眼的明星,在短短十年内其能量转化效率从3.8% 提升到了25.2%,而且由于其低廉的制造成本,有望在脱碳能源领域发挥巨大的作用。但是,由于钙钛矿太阳能电池中的各功能层材料对空气中的水蒸汽、氧气,紫外光,压力等比较敏感,大大缩短了使用寿命。封装技术能够有效地将工作元件与外界环境隔离,防止各种杂质的污染和腐蚀,是一种提高精密电子元器件使用寿命的方法。其实,封装技术在我们的生活中早已经有了广泛的应用,如芯片的集成电路,LED显示器,手机OLED屏幕等都采用了封装技术以保证器件的高效稳定运行。
目前,常见的钙钛矿太阳能的电池封装技术有两种:
第一种(1st generation)封装技术是使用蒸发金属喷射器和焊接金属带将电流从电池传导到外部,并将金属带的边缘密封,器件位于封闭空腔中心。
第二种(2nd generation)封装技术是利用透明的ITO电极将钙钛矿与金属电极分离,确保电极与PSCs之间有一定的横向间隙,封装的一边直接是ITO电极,进而可以更好的密封整个器件。这两种都是“封边”式封装技术。

Science:钙钛矿电池封装技术迈向商业化_大学思政

图1 第一代封装技术和第二代封装技术的顶视图、侧视图及实物图
图片来源:Rongrong Cheacharoen, Caleb C., et al.,Encapsulating perovskite solar cells to withstand damp heat and thermalcycling. Sustainable Energy Fuels, 2019, 2, 2398–2406
运用于封装的聚合物材料一般具有优异的绝缘性,热塑性和一定的机械强度,致密的封装层能够有效隔绝空气中的水和氧气,可以实现低成本的大面积封装。常见的封装材料有聚异丁烯、聚乙烯、热塑性聚氨酯、乙烯乙酸乙烯酯和环化全氟聚合物等。

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图 2 几种制备聚合物封装层的操作条件
图片来源:Matteocci, F., et al., Encapsulation for long-termstability enhancement of perovskite solar cells. Nano Energy, 2019.30: p. 162-172.
文章中报道了一种新的聚合物-玻璃“毯盖”式封装技术让钙钛矿太阳能电池在IEC 61215:2019标准测试条件下工作4000h后效率仍旧保持在95%以上。通过气相色谱质谱联用技术检测发现,绝对密闭的封装能够有效防止各种分解产生的气体分子的扩散,维持了体系的平衡,并且残留的蒸汽能够在夜间促进钙钛矿的再生,钙钛矿的再生的过程让电池的循环使用寿命增加。
“毯盖”式封装技术,即用聚合物将整个器件包覆起来,使器件与聚合物紧密接触,内部不存在任何的空腔。有趣的是,作者在封装的电池表面加盖了一层玻璃(Cover Glass),能够有效阻止钙钛矿分解产生的CH3Br 和NH3的溢出,而单独的聚合物封装是不能达到这一的效果的。聚合物作用不仅仅是水汽的阻隔剂,也充当钙钛矿太阳能电池与盖板玻璃之间的强力粘结剂,进一步加强了体系的密闭性能。

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图3 “毯盖”式封装和“封边”式封装的横断面示意图
图片来源:Shi, L., et al., Gas chromatography-mass spectrometryanalyses of encapsulated stable perovskite solar cells. Science, 2020.368(6497). eaba2412.
作者运用聚异丁烯和聚烯烃封装钙钛矿太阳能电池,并进行了湿热和湿度冻结测试,温度范围为 -40℃~80℃。结果发现,采用这种封装技术的电池在工作1800h后未发生降解,远远超过了测试标准中提出的1000h要求,测试后电池的短路电流密度,开路电压仍旧保持稳定,这样的现象在含有甲胺离子的钙钛矿太阳能电池中普遍存在。
该工作表明,使用简单、低成本的聚异丁烯或聚烯烃基聚合物-玻璃组合封装技术能够使有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池具有优异的耐久性。值得注意的是,一直以来,甲铵离子的低的热稳定性一直是高稳定钙钛矿太阳能电池所避免的事情,然而这些电池却可以经受最严酷的冻结湿度测试。聚合物-玻璃“毯盖”式封装技术能够实现封装的绝对密闭性,形成了一个稳定的工作环境,防止分解的产物从体系中溢出,进而极大提高了钙钛矿太阳能电池的使用寿命。该工作为设计更稳定的钙钛矿太阳能电池提供了新的思路,极大推进了钙钛矿太阳能电池的商业化应用。
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.
论文地址: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.
论文地址:https://science.sciencemag.org/content/368/6497/1309
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