近日，浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院蘭東辰研究員的一項(xiàng)最新科研成果在國際期刊Joule (《焦耳》IF:46)刊發(fā)，并于北京時(shí)間8月17日晚入選該期刊的封面論文。此項(xiàng)科研工作由浙江大學(xué)和新南威爾士大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)共同完成，蘭東辰研究員為論文的第一和共同通訊作者，新南威爾士大學(xué)的馬丁·格林院士為共同通訊作者。
細(xì)胞出版社《焦耳》8月17號刊的封面
（來源：https://www.cell.com/joule/issue?pii=S2542-4351(21)X0009-8#）
“關(guān)于封面：通過額外的一道激光劃線工序?qū)⒐夥寮?xì)分成很多個(gè)更小的電池能更好地保護(hù)像鈣鈦礦光伏這樣的薄膜器件少受落葉等導(dǎo)致的反向偏壓影響”
論文題為“Combatting temperature and reverse-bias challenges facing perovskite solar cells”（《對抗鈣鈦礦太陽能電池的溫度和反向電壓挑戰(zhàn)》）。鈣鈦礦是一種具有特殊晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，具有出色的能量轉(zhuǎn)換效率，生產(chǎn)成本低，因此被認(rèn)為是一項(xiàng)很有前途的新光伏技術(shù)。但研究表明，鈣鈦礦電池會比傳統(tǒng)硅電池面臨額外的反向偏壓挑戰(zhàn)，穩(wěn)定性不足，尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備，這也阻礙了這一技術(shù)的商業(yè)化。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)化，需要解決其面臨的高溫和反向偏壓挑戰(zhàn)問題，這項(xiàng)研究給我們提出了解決反向偏壓挑戰(zhàn)的創(chuàng)新方法。
如何應(yīng)對反向偏壓挑戰(zhàn)？研究人員創(chuàng)造性地提出了應(yīng)對反向偏壓挑戰(zhàn)的新思路，即通過限制局部升溫和反向偏壓的大?。ㄏ拗七@些外因作用），來實(shí)現(xiàn)光伏組件在實(shí)地條件下的長期穩(wěn)定工作，器件性能和壽命也會因此額外受益。
為緩解反向偏壓對薄膜器件的損害，將由長條電池組成的組件橫向分割成很多串聯(lián)/并聯(lián)的短長條電池，這只需要在標(biāo)準(zhǔn)劃線工藝外增加一個(gè)激光劃線步驟，就將控制反向偏壓和局部缺陷的影響。
用于薄膜光伏組件的串聯(lián)/并聯(lián)連接方式（來源：Joule 2022）
為串聯(lián)/并聯(lián)的每個(gè)電池提供旁路保護(hù)，最大限度地提高組件整體效率和壽命，這將保證（在組件出現(xiàn)局部遮陰時(shí)）所有未被遮擋的電池繼續(xù)發(fā)電，而被遮擋的電池承受最小的反向偏壓。這可以通過集成旁路二極管實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)最佳的應(yīng)力控制，可以利用橫向旁路布局即在負(fù)偏壓時(shí)使電流流經(jīng)整個(gè)電池寬度，再輔以嵌入式散熱層和基于熱擴(kuò)散長度對單個(gè)電池長度的優(yōu)化，這樣即使在最壞情況下也能將局部升溫控制在40℃以下，同時(shí)保護(hù)主電池區(qū)域免受高溫影響。
集成旁路二極管可以分流有破壞力的反向偏壓電流，從而保護(hù)主電池區(qū)域（左）；
散熱器可以緩解局部升溫（中）；
結(jié)合上述兩種方法可顯著控制具備商業(yè)規(guī)模的光伏組件溫度上升。
此外，可通過控制器件反向?qū)妷阂栽谄骷惺芊聪蚱珘簳r(shí)形成溫和的均勻發(fā)熱，該方法已在SunPower的Maxeon產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)，可以依此構(gòu)思適合鈣鈦礦光伏的平行方案。
除了能實(shí)現(xiàn)更高效率，單片鈣鈦礦/硅疊層器件在控制鈣鈦礦電池反向偏壓方面具備額外優(yōu)勢。首先，將鈣鈦礦電池與更穩(wěn)固的硅電池串聯(lián)，可以保護(hù)鈣鈦礦電池免受反向擊穿。其次，保護(hù)該串聯(lián)整體免受大的反向偏壓擊穿很簡單，因?yàn)閭鹘y(tǒng)硅組件的旁路保護(hù)方案易被采用，這是由于該單片疊層組件實(shí)則是加蓋鈣鈦礦吸收層的硅組件。此外建議鈣鈦礦層的能帶隙適當(dāng)降低，以防硅電池在某些條件下驅(qū)使鈣鈦礦電池承受反向偏壓。
單片鈣鈦礦-硅疊層器件結(jié)構(gòu)通過阻礙反向偏壓電流提高鈣鈦礦的反向偏置穩(wěn)定性（左）；
上述器件規(guī)?；苽浜髮?shí)則為加蓋鈣鈦礦薄層的硅組件，易采用傳統(tǒng)旁路二極管保護(hù)方案（右）。
論文中所提出的上述方案是實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦光伏長期穩(wěn)定的替代途徑。此外，“控制這些應(yīng)力(即降低升溫和反向偏壓)能提高器件性能，并放寬對該新材料本征穩(wěn)定性的嚴(yán)苛要求”。
蘭東辰老師于2020年入選浙江大學(xué)百人計(jì)劃研究員，他的團(tuán)隊(duì)聚焦于以二極管為基礎(chǔ)的光電子前沿領(lǐng)域，如各種新型光伏、發(fā)光器件，致力于關(guān)鍵問題的突破和原始創(chuàng)新。加盟浙大電氣兩年的時(shí)間里，蘭老師帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)潛心科研，除了這次的成果外，最近他還與合作伙伴在Nature Communications（《自然-通訊》）期刊揭示發(fā)光二極管在超低電壓下的發(fā)光機(jī)理。
蘭老師表示，感謝學(xué)校提供的良好平臺，跨學(xué)科的交叉融合、學(xué)院良好的學(xué)術(shù)氛圍、團(tuán)隊(duì)成員的默契配合，讓科研工作者可以心無旁騖地開展研究。靈感的不斷涌現(xiàn)、成果的不斷出現(xiàn)，其實(shí)源于團(tuán)隊(duì)在不同領(lǐng)域的研究經(jīng)驗(yàn)和知識積累。
讓我們祝賀并期待科研工作者們的更多成果！研究組也長期歡迎有志于探索光電領(lǐng)域前沿的優(yōu)秀同學(xué)，以及具有光電子器件、半導(dǎo)體物理、光學(xué)、材料等相關(guān)學(xué)術(shù)背景的博士后、科研人員、訪問學(xué)者等加盟與合作。
相關(guān)工作
D. Lan, M.A. Green, “Combatting temperature and reverse-bias challenges facing perovskite solar cells”, Joule, 6 (2022) 1782-1797【期刊封面】
Y. Lian, D. Lan, S. Xing, B. Guo, Z. Ren, R. Lai, C. Zou, B. Zhao, R.H. Friend, D. Di, “Ultralow-voltage operation of light-emitting diodes”, Nature communications, 13, Article number: 3845(2022) 1-10
（圖文由科研團(tuán)隊(duì)提供）
