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      電氣工程學院最新科研成果登上《焦耳》封面

      發布時間:2022-08-21來源:電氣工程學院作者:0

      近日,浙江大學電氣工程學院蘭東辰研究員的一項最新科研成果在國際期刊Joule (《焦耳》IF:46)刊發,并于北京時間8月17日晚入選該期刊的封面論文。此項科研工作由浙江大學和新南威爾士大學的研究團隊共同完成,蘭東辰研究員論文的第一和共同通訊作者,新南威爾士大學的馬丁·格林院士為共同通訊作者。

      細胞出版社《焦耳》817號刊的封面

      (來源:https://www.cell.com/joule/issue?pii=S2542-4351(21)X0009-8#

       “關于封面:通過額外的一道激光劃線工序將光伏板細分成很多個更小的電池能更好地保護像鈣鈦礦光伏這樣的薄膜器件少受落葉等導致的反向偏壓影響”

      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》)。鈣鈦礦是一種具有特殊晶體結構的半導體,具有出色的能量轉換效率,生產成本低,因此被認為是一項很有前途的新光伏技術。但研究表明,鈣鈦礦電池會比傳統硅電池面臨額外的反向偏壓挑戰,穩定性不足,尚未實現大規模制備,這也阻礙了這一技術的商業化。為進一步實現鈣鈦礦光伏產業化,需要解決其面臨的高溫和反向偏壓挑戰問題,這項研究給我們提出了解決反向偏壓挑戰的創新方法。

      如何應對反向偏壓挑戰?研究人員創造性地提出了應對反向偏壓挑戰的新思路,即通過限制局部升溫和反向偏壓的大?。ㄏ拗七@些外因作用),來實現光伏組件在實地條件下的長期穩定工作,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/并聯的短長條電池,這只需要在標準劃線工藝外增加一個激光劃線步驟,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/并聯連接方式(來源:Joule 2022)

      為串聯/并聯的每個電池提供旁路保護,最大限度地提高組件整體效率和壽命,這將保證(在組件出現局部遮陰時)所有未被遮擋的電池繼續發電,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現。為了實現最佳的應力控制,可以利用橫向旁路布局即在負偏壓時使電流流經整個電池寬度,再輔以嵌入式散熱層和基于熱擴散長度對單個電池長度的優化,這樣即使在最壞情況下也能將局部升溫控制在40℃以下,同時保護主電池區域免受高溫影響。

      集成旁路二極管可以分流有破壞力的反向偏壓電流,從而保護主電池區域(左);

      散熱器可以緩解局部升溫(中);

      結合上述兩種方法可顯著控制具備商業規模的光伏組件溫度上升。

      此外,可通過控制器件反向導通電壓以在器件承受反向偏壓時形成溫和的均勻發熱,該方法已在SunPowerMaxeon產品實現,可以依此構思適合鈣鈦礦光伏的平行方案。 

      除了能實現更高效率,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勢。首先,將鈣鈦礦電池與更穩固的硅電池串聯,可以保護鈣鈦礦電池免受反向擊穿。其次,保護該串聯整體免受大的反向偏壓擊穿很簡單,因為傳統硅組件的旁路保護方案易被采用,這是由于該單片疊層組件實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降低,以防硅電池在某些條件下驅使鈣鈦礦電池承受反向偏壓。

      單片鈣鈦礦-硅疊層器件結構通過阻礙反向偏壓電流提高鈣鈦礦的反向偏置穩定性(左);

      上述器件規?;苽浜髮崉t為加蓋鈣鈦礦薄層的硅組件,易采用傳統旁路二極管保護方案(右)。

      論文中所提出的上述方案是實現鈣鈦礦光伏長期穩定的替代途徑。此外,“控制這些應力(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定性的嚴苛要求”。

      蘭東辰老師于2020年入選浙江大學百人計劃研究員,他的團隊聚焦于以二極管為基礎的光電子前沿領域,如各種新型光伏、發光器件,致力于關鍵問題的突破和原始創新。加盟浙大電氣兩年的時間里,蘭老師帶領團隊潛心科研,除了這次的成果外,最近他還與合作伙伴在Nature Communications(《自然-通訊》)期刊揭示發光二極管在超低電壓下的發光機理。 

      蘭老師表示,感謝學校提供的良好平臺,跨學科的交叉融合、學院良好的學術氛圍、團隊成員的默契配合,讓科研工作者可以心無旁騖地開展研究。靈感的不斷涌現、成果的不斷出現,其實源于團隊在不同領域的研究經驗和知識積累。

      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域前沿的優秀同學,以及具有光電子器件、半導體物理、光學、材料等相關學術背景的博士后、科研人員、訪問學者等加盟與合作。

      相關工作

      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


      (圖文由科研團隊提供)

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