山東科技大學段加龍Solar?RRL：熱管理策略提高鈣鈦礦/熱電集成光伏器件效率

材料人編輯小單 1年前 (2022-08-03) 2138瀏覽

【背景介紹】

近年來，聚光鈣鈦礦太陽能電池（CPV-PSCs）因其低阱密度和高載流子擴散長度而在聚光光伏領域引起廣泛關注。然而，在10~100個太陽光照射下，低能光子會轉化為熱量，導致器件溫度升高，不僅會降低光伏電池效率，而且使有機-無機雜化鈣鈦礦分解。因此，CPV-PSCs的熱不穩定性是一個迫切需要解決的問題。其中，全溴化CsPbBr3在所有鈣鈦礦材料中具有最佳的穩定性，在CPV-PSCs中具有巨大的應用潛力。然而由于CsPbBr3禁帶寬度為2.3 eV，只能吸收波長< 540 nm的光，其余光子能量都將以熱能形式浪費。因此，將熱電發電機（TEGs）與碳基CPV-PSCs相結合，有望實現余熱回收和輸出增效。

【成果簡介】

近日，山東科技大學碳中和研究院段加龍副教授為通訊作者在“Solar?RRL”上發表了一篇名為”Heat Management Strategy for All-inorganic, Full-Spectral Concentrator CsPbBr3/Bi2Te3?Integrated Solar Cells”的文章。他們報道了碳基全無機CsPbBr3太陽能電池在5個太陽下的功率轉換效率（PCE）高達10.08%，而在1個太陽下的PCE為8.94%。研究表明效率提高主要歸因于CsPbBr3的準費米能級劈裂放大，使開路電壓（VOC）提高到1.643 V。隨后將Bi2Te3熱電模塊集成到電池中吸收碳電極余熱，在聚光光照條件下發揮制冷劑的作用。該CsPbBr3/Bi2Te3系統利用光伏-熱電原理實現了12.46%的PCE和2.114 V的超高VOC。更重要的是，未封裝集成器件在5個太陽照射150小時后仍能保持90%以上的初始效率，表明熱管理策略對于提高鈣鈦礦/熱電集成光伏器件效率有很大潛力。

【核心創新點】

  1. 在五個太陽光照強度下，由于準費米能級劈裂放大，聚光碳基CsPbBr3器件的PCE可提高至108%，VOC可提高至1.643 V。
  2. 為有效率用碳電極在聚光條件下產生的有害熱，構建CsPbBr3/Bi2Te3集成光伏器件，利用光伏-熱電原理實現了46%的PCE和2.114 V的超高VOC。
  3. 未封裝集成器件在5個太陽強度照射150小時后仍能保持90%以上的初始效率，表明熱管理策略可顯著提升器件的環境耐久性。

【圖文概覽】

圖1?(a)常規器件、聚光器件以及費米能級分裂示意圖。(b) ~?(e)在光照強度范圍為0.015 ~ 15個太陽下電池器件的光伏數據。(f)電池器件在5個太陽照射下的J-V特征曲線。? 2022 The Authors

圖2 碳電極表面溫度在不同光強下隨著(a)照射時間以及(b)環境溫度的變化情況。(c)1個太陽照射下器件J-V曲線對溫度的依賴性。(d) PCE以及(e) Rs和Rrec隨溫度的演變。(f)器件J-V曲線對光照時間長度的依賴性。(g) CsPbBr3薄膜在不同光強和溫度下的吸光度。(h)加熱和冷卻過程中載流子重組路徑示意圖。? 2022 The Authors

圖3 CsPbBr3/Bi2Te3集成光伏器件(a)結構示意圖，(b)能帶圖以及(c)等效電路圖。(d) Bi2Te3?TEG在不同溫度下的I-V曲線和輸出功率曲線，冷卻溫度控制在25 ℃。(e)優化后CsPbBr3/Bi2Te3集成光伏器件在不同溫度下的J-V曲線。? 2022 The Authors

圖4?(a) 帶有1個TEG底單元的CsPbBr3/Bi2Te3集成光伏器件在5個太陽照射下的J-V特性曲線以及(b)穩態功率輸出。(c)?帶有6個TEG底單元的CsPbBr3/Bi2Te3集成光伏器件在5個太陽照射下的J-V特性曲線以及(d)穩態功率輸出。(e) 帶有6個TEG底單元的CsPbBr3/Bi2Te3集成光伏器件在5個太陽強度下連續照射150 h的PCE變化過程。? 2022 The Authors

【結論】

綜上所述，通過CsPbBr3/Bi2Te3集成光伏器件，利用光伏和熱電原理將太陽能最大限度地轉化為電能。在聚光照射下，超過540 nm的入射光被碳電極轉化為熱能，在Bi2Te3底單元之間形成溫差，服從塞貝克效應產生熱電電壓。此外，該集成裝置在高濕、高溫和高輻照條件下表現出優異的穩定性。上述集成太陽能電池的性能高度依賴于光強和熱電轉換裝置，在光學設計上應制定更多的策略，以平衡聚光和熱利用，促進未來CPV-PSC-TEG技術的發展。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1002/solr.202200570

本文由郭琪瑤供稿

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