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亚利桑那州立大学(ASU)-钙钛矿研究的未来 探索钙钛矿/硅叠层太阳能电池的内部工作原理

发表时间:2024-03-14 16:00


亚利桑那州立大学(ASU)-钙钛矿研究的未来

探索钙钛矿/叠层太阳能电池的内部工作原理

   亚利桑那州立大学(ASU)的Holman研究小组专注于通过研究太阳能电池的制造和表征方法来推动太阳能技术的发展。他们具备制造硅、钙钛矿和钙钛矿-叠层太阳能电池的能力,并在碲化镉、III-Vs等领域展开研究合作。

   对于比单结电池复杂得多的叠层电池,Holman小组采用了创新性的表征技术,其中包括G2VPico LED太阳光模拟器的灵活应用他们通过Python脚本的应用,能够快速在不借助其它装置的情况下实现光谱可调。这项技术提供了更灵活、可控的实验设计,学生Mason Mahaffey也让之前无法进行的实验有了新的可能。


ASU光伏电池研究实验室

   Mason MahaffeyASU电气工程系的三年级博士生,他在Professor Zachary Holman的指导下与Rolston实验室合作,参与了由美国能源部太阳能技术办公室(SETO)资助的旨在钙钛矿/硅串联电池商业化的TEAM UP项目。

   Mason 的研究专注于将叠层电池作为下一代太阳能技术的优化方案,并使用传统测试方法专属新型测试方法来提高测试结果可信度。这种专属新型测试方法被称为太阳外部辐射效率Suns External Radiative EfficiencySunsERE)测试,该创新测试方法是与Holman实验室前助理研究教授Dr.Arthur Onno合作两年的成果,使研究人员能够在电池器件IV分析中确定失效模式和偏离理论预期的原因

20240314

The Rolston Research Group

钙钛矿叠层电池测试的挑战

   探索和开发新的太阳能电池技术没有捷径解决随机性问题是常态,钙钛矿电池的研究也不例外。所有钙钛矿的研究人员似乎都面临一些挑战,例如提高长期稳定性

新型太阳能电池测试方法的创新

   在钙钛矿电池研究中,有许多新的测试方法有待探索。MasonDr. OnnoHolman教授提出了一种新颖的测试方法,称之为SunsERE

   与传统的IVSunsVoc测试不同,SunsERE可以创建器件运行曲线,即隐含JV曲线,反映了太阳能电池的全部潜力。这种曲线不仅可以揭示光吸收材料的质量,还能在测试完成之前考察器件质量。

   SunsERE测试需要精确控制入射光的波长和几十毫秒的曝光时间。 Holman团队面临的挑战是需要在毫秒级进行波长和曝光时间的精确控制,而传统的太阳光模拟器则面临不能同时满足这两个要求。


如何测试同一器件的不同功能性部位

   钙钛矿叠层电池的效率记录目前已经超过33%,但对于叠层的相关研究工作仍然存在许多挑战比如用于单结硅电池测试方法和仪器无法直接用于钙钛矿叠层电池测试。这一问题根源在于叠层电池的行为与波长有关,导致在正相关变量其它结可能无效甚至负相关

   基于以上认知和经验,MasonHolman实验室着手研究如何测试同一器件的不同功能性部位而他们原有的白光LED光源无法满足相关工作需求



钙钛矿硅串联电池的剖面示意图

它如何在不同的子结中吸收不同频率的光



ASU G2V:设计钙钛矿太阳能电池测试解决方案

光谱可调性:进行多结太阳能电池测试的关键

   从之前硅电池测试跨越到叠层电池的测试HolmanRolston实验室的测试方式需要做出一些改变。对于叠层电池,由于两种材料对于光谱的响应不一样,所以就需要获取相应的两种数据。单一宽带光源,无论是氙灯、金属卤灯还是白光LED灯,都无法提供所需的光照条件。

   Mason通过从G2V购买的Pico AAA太阳能光模拟器,可以使用其配套软件针对性地调整辐照波段,为待测器件的每一层设置首选波长。

G2V PICO的光谱可调性他们探索纯硅到叠层器件的关键,而无需像传统宽带点光源那样使用物理滤波器


用于叠层太阳能电池的测试的 Python 编程

   Mason、Holman和Rolston实验室发现,Pico的光谱可调性不仅在准确测量叠层电池和调整辐照方面表现出色,还具备通过Python API自定义脚本建立独特程序的能力,包括强度和光谱的定时调节

   Mason指出Pico能够精确快速切换光强和光谱,并根据需求进行程序编写简化了研究工作,改进了表征方法。Holman团队仍在继续优化高效执行SunsERE测试方法的应用程序,这正是依托光谱可调性与Python脚本的完美结合


"Pico不仅能快速切换光源的强度,还能快速切换光谱"


- Mason Mahaffey --ASU博士生



多种太阳能电池测试方法

         Mason、Holman和Rolston实验室正在努力阐明钙钛矿/硅叠层电池性能的限制因素和电阻源问题,以提高效率并使其更接近理论模型为了解决这个问题,Mason围绕三种不同的测试方法构建了他自己的测试程序,尽可能多的评估和量化的导致IV曲线扭曲的误差源,并改进从标准 IV 测试中获得的信息。

   SunsVOC 测试有助于证实 IV 测试,不仅能确定器件MPP,还能确定无串联电阻损耗的理论MPP。相较于传统IV测试,SunsVOC测试更容易获取丰富的测试数据。通过Pico的可变输出,Mason能够快速生成器件在整个响应光谱区间SunsVOC测量值,准确了解特定层的效率损失或光吸收层是否存在故障。

   Mason可以将Pico光照强度从1sun降至Pico常规配置最低值0.1sun为了满足更深一度的需求,G2V还特别提供了一个定制的衰减器将在常规配置的基础上再降低一个数量级。

   Holman实验室为了增加第三层佐证,首创了一种独特的测量方法——SunsERE是一种完全非接触的测量方法,它利用不同的光照条件,包括光谱、时间和强度的变化,通过Pico照射后测量辐射排放,以确定真实的IV曲线,避免了任何串联电阻效应。

   作为经过校准的偏置源,SunsERE能够调整子结或不同材料的任何特定带隙相互作用,从而适用于任何有问题的器件,无论是还是多结。通过隔离方法测定光伏材料IV特性,MasonHolman实验室成功减少了潜在误差源的数量,为研究层和其他多器件之间的相互作用提供了更准确的数据。


叠层太阳能电池研究的未来

   "Pico 对我们的研究至关重要,因为我们研究的是叠层太阳能电池......这些叠层电池对不同波长的光的吸收是不同的,正因为如此,单色光源,甚至是可见光白光光源,都不足以全面了解我们太阳能电池的行为"

-Mason Mahaffey    ASU博士生

   凭借测试所需的正确工具,Holman实验室、Rolston实验室和TEAM UP项目其他成员有望在研究光伏材料特性的新方法上取得宝贵成果为提高器件效率表征利用新型多结电池,推动技术发展,以及支持这些即将推出的技术获得商业认证,做出重要贡献



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