近日，浙江大学电气工程学院兰东辰研究员的一项最新科研成果在国际期刊Joule (《焦耳》IF:46)刊发，并于北京时间8月17日晚入选该期刊的封面论文。此项科研工作由浙江大学和新南威尔士大学的研究团队共同完成，兰东辰研究员为论文的第一和共同通讯作者，新南威尔士大学的马丁·格林院士为共同通讯作者。
图1. 细胞出版社《焦耳》8月17号刊的封面（来源：https://www.cell.com/joule/issue?pii=S2542-4351(21)X0009-8#）
“关于封面：通过额外的一道激光划线工序将光伏板细分成很多个更小的电池能更好地保护像钙钛矿光伏这样的薄膜器件少受落叶等导致的反向偏压影响”
论文题为“Combatting temperature and reverse-bias challenges facing perovskite solar cells”（《对抗钙钛矿太阳能电池的温度和反向电压挑战》）。钙钛矿是一种具有特殊晶体结构的半导体，具有出色的能量转换效率，生产成本低，因此被认为是一项很有前途的新光伏技术。但研究表明，钙钛矿电池会比传统硅电池面临额外的反向偏压挑战，稳定性不足，尚未实现大规模制备，这也阻碍了这一技术的商业化。为进一步实现钙钛矿光伏产业化，需要解决其面临的高温和反向偏压挑战问题，这项研究给我们提出了解决反向偏压挑战的创新方法。
如何应对反向偏压挑战？
研究人员创造性地提出了应对反向偏压挑战的新思路，即通过限制局部升温和反向偏压的大小（限制这些外因作用），来实现光伏组件在实地条件下的长期稳定工作，器件性能和寿命也会因此额外受益。
为缓解反向偏压对薄膜器件的损害，将由长条电池组成的组件横向分割成很多串联/并联的短长条电池，这只需要在标准划线工艺外增加一个激光划线步骤，就将控制反向偏压和局部缺陷的影响。
图2. 用于薄膜光伏组件的串联/并联连接方式（来源：Joule 2022）
为串联/并联的每个电池提供旁路保护，最大限度地提高组件整体效率和寿命，这将保证（在组件出现局部遮阴时）所有未被遮挡的电池继续发电，而被遮挡的电池承受最小的反向偏压。这可以通过集成旁路二极管实现。为了实现最佳的应力控制，可以利用横向旁路布局即在负偏压时使电流流经整个电池宽度，再辅以嵌入式散热层和基于热扩散长度对单个电池长度的优化，这样即使在最坏情况下也能将局部升温控制在40℃以下，同时保护主电池区域免受高温影响。
图3. 集成旁路二极管可以分流有破坏力的反向偏压电流，从而保护主电池区域（左）；散热器可以缓解局部升温（中）；结合上述两种方法可显著控制具备商业规模的光伏组件温度上升。
此外，可通过控制器件反向导通电压以在器件承受反向偏压时形成温和的均匀发热，该方法已在SunPower的Maxeon产品实现，可以依此构思适合钙钛矿光伏的平行方案。
除了能实现更高效率，单片钙钛矿/硅叠层器件在控制钙钛矿电池反向偏压方面具备额外优势。首先，将钙钛矿电池与更稳固的硅电池串联，可以保护钙钛矿电池免受反向击穿。其次，保护该串联整体免受大的反向偏压击穿很简单，因为传统硅组件的旁路保护方案易被采用，这是由于该单片叠层组件实则是加盖钙钛矿吸收层的硅组件。此外建议钙钛矿层的能带隙适当降低，以防硅电池在某些条件下驱使钙钛矿电池承受反向偏压。
图4.单片钙钛矿-硅叠层器件结构通过阻碍反向偏压电流提高钙钛矿的反向偏置稳定性（左）；上述器件规模化制备后实则为加盖钙钛矿薄层的硅组件，易采用传统旁路二极管保护方案（右）。
论文中所提出的上述方案是实现钙钛矿光伏长期稳定的替代途径。此外，“控制这些应力(即降低升温和反向偏压)能提高器件性能，并放宽对该新材料本征稳定性的严苛要求”。
兰东辰老师于2020年入选浙江大学百人计划研究员，他的团队聚焦于以二极管为基础的光电子前沿领域，如各种新型光伏、发光器件，致力于关键问题的突破和原始创新。加盟浙大电气两年的时间里，兰老师带领团队潜心科研，除了这次的成果外，最近他还与合作伙伴在Nature Communications（《自然-通讯》）期刊揭示发光二极管在超低电压下的发光机理。
兰老师表示，感谢学校提供的良好平台，跨学科的交叉融合、学院良好的学术氛围、团队成员的默契配合，让科研工作者可以心无旁骛地开展研究。灵感的不断涌现、成果的不断出现，其实源于团队在不同领域的研究经验和知识积累。
让我们祝贺并期待科研工作者们的更多成果！研究组也长期欢迎有志于探索光电领域前沿的优秀同学，以及具有光电子器件、半导体物理、光学、材料等相关学术背景的博士后、科研人员、访问学者等加盟与合作。
相关工作
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
图片文字来源于科研团队
