Newton首刊文章上线，浙大兰东辰团队：钙钛矿-硅叠层光伏在实际应用中仍面临反向偏置挑战

研究背景

钙钛矿光伏电池已经实现了卓越的功率转换效率，单结钙钛矿电池可达到26.7%，钙钛矿-硅叠层电池甚至可达到34.6%，然而，稳定性问题仍是制约钙钛矿器件商业化的主要障碍，特别是反向偏置失稳。除了具有更高的能源转换效率，钙钛矿-硅叠层光伏电池近期在测试条件下表现出对反向偏置的良好耐受能力，这使人们相信钙钛矿电池的反向偏置失稳可因其与硅电池串连而得以解决。然而，实际应用环境与测试条件不同，钙钛矿-硅叠层光伏电池在实际工作条件下的反向偏置稳定性尚未得到充分研究。解决实际工作条件下的稳定性问题是钙钛矿-硅叠层光伏电池实现大规模商业应用的关键。

1. 钙钛矿太阳电池的反向偏置挑战

当一个遮阴的光伏电池与其他暴露在阳光下的电池串联时，遮阴电池会被驱动为反向偏置状态。这种反向偏置可能会导致一系列不可逆的损伤和严重的热斑问题。更为重要的是，解决这一问题对于钙钛矿电池非常具有挑战性，尤其是传统的硅组件方法——在电池串中并联一个旁路二极管——并不适用于钙钛矿组件。这是因为钙钛矿太阳能电池通常具有较低的反向击穿电压（通常小于5V），这意味着，假使采用以上方法，钙钛矿光伏组件就需要大量的旁路二极管，从而使得这一解决方案会非常昂贵。此外，将旁路二极管集成到薄膜组件中的电路会变得非常复杂，并且可能会增加显著的电压损失，因此这一方法亦未在现有薄膜组件中得到应用。其他解决方案，包括在低反向击穿电压下的自旁路，这虽然可以减少过热问题，但可能会导致电池的不可逆损伤；以及将旁路二极管集成到每个电池中，这些方案目前仍处于概念阶段。

近期，钙钛矿-硅叠层光伏电池在测试条件下表现出对反向偏置的良好耐受能力，这使得研究人员相信，钙钛矿电池的反向偏置失稳问题可以通过与硅电池串联的方式得到有效解决。

2. 标准测试中钙钛矿-硅叠层光伏电池展现出良好反向偏置耐受性的隐含条件

钙钛矿-硅叠层光伏电池的反向偏置稳定性依赖于子电池之间良好的光电流匹配，在标准测试条件下，光电流近乎匹配使得反向偏置电压主要分布在硅子电池上，从而有效保护钙钛矿子电池。然而，实际情况中，光谱差异、温度变化等因素可能导致子电池之间的光电流不匹配，从而影响叠层器件反向偏置的稳定性。

3. 大规模实际应用的挑战

对于未来大规模实际应用，钙钛矿-硅叠层电池将被连接起来形成组件，并需要在最大功率输出下工作。在此现实场景中，每个叠层电池及其子电池的工作模式还将受到组件中每串电池的数量、单个电池性质参数、太阳光谱的常年变化等多种因素的影响。

尽管现实因素增加了问题的复杂性，确保组件在现实环境运行中能耐受反向偏置应力，对于户外实际应用至关重要。

研究内容

1. 钙钛矿-硅叠层光伏电池的反向偏压现象

钙钛矿-硅叠层光伏组件预计将采用与现有硅光伏组件类似的形式，因此硅光伏组件传统的旁路二极管保护方法很容易应用到钙钛矿-硅叠层组件（图1A），当一个遮阴的光伏电池被其他暴露在阳光下的串联的光伏电池反向驱动时，旁路二极管需要确保即使在这种最坏的情况下，遮阴的光伏电池受到的反向偏置电压也要低于其反向击穿电压（图1B）。传统的旁路二极管方案可以保护24个硅电池，但由于钙钛矿-硅叠层光伏电池的开路电压较高，旁路二极管方案预计只能保护9个叠层光伏电池。

但上述假将要求两个子光伏电池在串联反向偏压增加时同时发生反向击穿，这仅在子电池间光电流匹配良好时有效，当子电池之间出现光电流失配时，反向偏压可能首先作用于光电流较低的子电池，导致其率先被反向电压击穿，从而降低整个叠层器件的反向偏置稳定性（图1C）。因此，对于子电池间光电流失配的叠层光伏电池，其反向偏压稳定性将受到光电流更小的子电池影响，反向偏压需低于该子电池的反向击穿电压，以确保叠层光伏电池的反向偏压耐受能力，这将进一步减少每个旁路二极管可以保护的电池数量。

当硅子电池光电流较低时，由于硅材料较高的反向偏置耐受性，钙钛矿-硅叠层光伏电池的反向偏置耐受性较好。但当钙钛矿子电池光电流较低时，组件的稳定性显著降低。当钙钛矿子电池的反向击穿电压为-1.1 V时，上述叠层光伏电池只需要约0.5 V的反向偏压就会导致钙钛矿子电池被反向偏置（图1D）。

2. 光电流失配的影响因素

实际太阳光谱随着季节和一天中不同时间而变化，可能在光谱成分和光强上与AM 1.5G光谱存在很大差异（图2A），这导致光电流的失配度在一年中发生很大变化。在光谱中蓝光成分较丰富的情况下，钙钛矿子电池的光电流密度通常高于硅子电池；而在光谱中红光成分较为丰富时（例如，丹佛的7至8月或悉尼的11至12月的晴朗下午时间，图2B），钙钛矿子电池光电流密度比硅子电池低5 mA cm^-2，这可能导致前者在反向偏置下发生击穿。其次，叠层光伏电池实际运行时的环境温度可能与测试条件下的室温相差较大（图2C），导致电池温度变化。这种变化可能会使子电池之间的电流不匹配增加约1 mA cm^-2（图2D）。随着阳光从蓝光成分丰富的光谱转变为红光成分丰富的光谱，钙钛矿子电池可从正向偏置突然转为反向偏置（图2E）。虽然减小光强可以使子电池之间的光电流不匹配情况减弱，但仅仅改变光强不足以改变子电池的工作模式，例如在光强较弱且红光成分较丰富的情况下，钙钛矿子电池仍会被反向击穿（图2F）。因此，光谱成分很可能对子电池的工作模式有重要影响。

3. 反向偏置的产生机制与应对措施

由正常工作和被遮阴的叠层电池组成的光伏电池串，在最大功率输出时，可能会出现两个局部最大功位点MPP1和 MPP2（图3A）。当该电池串工作在MPP1位点时，钙钛矿子电池发生击穿，而其工作在MPP2位点时则可有效保护光电流较低的钙钛矿子电池，使其免受反向偏压而被损毁。电池串的工作位点取决于两个局部最大功率点的相对大小，经推导证明也是Jph(Pero)/Jph(Si)与V₁/V₂的相对大小，而子电池之间的光电流差值对电池串工作模式的影响较小（图3B）。对于V₁/V₂，可以通过降低组件中每串电池的数量或提高单个钙钛矿子电池的反向偏置抗性来使电池在安全状态下运行。若减少每个电池串中的叠层电池数量至5个（保持钙钛矿子电池的反向击穿电压为 -2 V），便可避免在实际电流不匹配情况下发生反向击穿（图3C）；若提高钙钛矿子电池的反向击穿电压到 -4.5 V（保持组件中每串电池的数量为9个），亦可防止子电池出现反向偏置（图3D）。上述 -4.5 V的反向偏置抗性低于以往分析得到的建议数值。更多应对措施可参考表1。

4. 降低顶层钙钛矿子电池带隙的方案分析

另一种避免反向偏置的方法是改变Jph(Pero)/Jph(Si)大小，这可以通过调整钙钛矿子电池的带隙来实现。在傍晚时，光谱中红光成分较为丰富（以丹佛下午5点为例），将钙钛矿子电池的带隙从当前广泛使用的1.68 eV降低到1.60 eV，能够有效减少钙钛矿子电池光电流低于硅子电池的情况发生（图4A），同时光电流之比也变化显著（图4B）。然而，这种方法并未达到对钙钛矿子电池的完全保护，还需要其他措施，如前文中提到的减少组件中每串电池的数量或提高钙钛矿子电池的反向击穿电压。这些这些方法可以组合使用，以提供更充分的保护选择，如下表1所总结。

为进一步评估降低钙钛矿带隙对叠层光伏电池性能的影响，本文采用最先进的低带隙钙钛矿电池，替代了现有高效率叠层电池文献中使用的1.68 eV钙钛矿顶电池，进行计算与分析。分析结果显示，当钙钛矿带隙降至1.60 eV时，叠层电池的效率仍可以超过30%（图4C）。

对于较低至中等反照率的情况，在双面叠层光伏电池中使用低带隙钙钛矿能减少钙钛矿光电流较低的不利情况。此外，与传统的单面叠层光伏电池相比，双面叠层光伏电池反向击穿风险较低（图4D，左）。然而，当反照率提升时，双面叠层光伏电池中钙钛矿光电流较低的情况将更为频繁地发生（图4D，右），这意味着在更高能量产率的地区，双面叠层光伏电池的反向击穿风险将大大增加。通过降低顶层钙钛矿电池的带隙，也能显著降低因Jph(Pero)/Jph(Si)过低造成的反向偏置风险（图4E）。

5. 应用发光耦合效应

发光耦合效应即钙钛矿子电池发出的光子被硅子电池吸收（图5A），其能够减少由于光电流不匹配带来的叠层光伏器件的效率损失。当硅电池的光电流不足而限制叠层整体性能时，钙钛矿电池发光为硅电池提供额外的入射光，从而提高叠层光伏电池的短路电流（图5B），随着辐射效率的提高，该增益作用会变得更为显著。值得注意的是，当钙钛矿电池的带隙从1.68 eV降低至接近常规值（1.5–1.6 eV）时，其外辐射效率也会提高（图5C），这种变化源于缺陷密度的降低。对于较低带隙的钙钛矿光伏电池，其开路电压损失较小（图5D），因此，使用这些较低带隙钙钛矿的叠层光伏电池的开路电压损失也会更小。正如预期，钙钛矿电池发光性提升的累积效应是带来叠层电池填充因子（FF）的增大（见图5E）。因此，综合上述因素，使用较低带隙钙钛矿的叠层光伏器件亦有望实现同样高的效率（图5F） 。

总结和展望

钙钛矿-硅叠层光伏电池在实际环境中的反向偏置耐受能力，会受到太阳光谱、温度等因素变化的显著影响，从而导致这类新型光伏组件在实际工作环境中更易因局部遮阴而发生损坏。文章分析了钙钛矿-硅叠层光伏电池及模组的反向偏压机制，并提出了在最大功率点工作下有效降低反向偏置风险的方法，这些方案综合考虑了组件中每串电池的数量和单个电池性质，并分析了电池的双面性、三重结结构以及发光耦合效应等因素对组件性能和设计的影响。通过这些分析，为如何开发高效的钙钛矿-硅叠层光伏技术，并最终实现能够在户外环境中长期稳定运行的光伏组件提供了明确的指导。

对于钙钛矿-硅叠层光伏的技术变体，包括双面钙钛矿-硅叠层电池和更多结的叠层电池，结论类似，但问题的复杂性和电流失配的担忧都会增加。特别是对于双面叠层光伏技术，在能量产出方面表现出优势的高反照率条件下，反向偏置的问题将更为突出；为了预防双面叠层电池被反向击穿，降低钙钛矿带隙可能需要使用无溴钙钛矿顶电池，这些电池具有很高的效率和更好的稳定性，有助于提高叠层电池整体效率，但对于高反照条件，发光耦合的增益将不再显著。

原文刊载于Cell Press旗下期刊Newton，