柔性光伏器件:力学测试弯曲1000次效率仍超24%!

  柔性光伏(PV)器件是一种新兴的光电技术,因其可应用于可穿戴设备、便携式设备、室内发电及物联网等领域而非常关注。与传统的刚性光伏材料相比,柔性光伏具有轻便、可弯曲、可拉伸等优点,适合应用在多种复杂曲面的场景中。然而,柔性光伏器件在实际应用中仍面临着机械稳定性不足、弯曲性能差等问题,这对其长期稳定运行带来了挑战。因此,日本理化学研究所RIKEN的Kenjiro Fukuda,Osbel Almora等携手设计并制备了一种新型的柔性光伏结构,通过优化基板厚度和顺应性,以及引入高效的封装技术,明显提升了器件的机械鲁棒性和光电转换效率。利用创新的测试协议,该团队对器件在1%应变下进行了超过1,000次的弯曲循环测试,并对其在不同环境条件下的性能进行了系统研究,成功获得了该器件在高弯曲性条件下的优异性能表现。研究表明,经过优化的柔性光伏器件在多次弯曲后依然能够保持超过24%的光电转换效率,并在封装条件下表现出优良的耐湿耐热性。此外,该研究还提出了一套统一的柔性光伏评估协议,包括弯曲半径均匀施加的重要性,以及在电流方向平行和垂直弯曲轴下的性能比较。这一成果为柔性光伏技术的逐步发展提供了重要的理论基础和实践指导,推动了柔性电子领域的技术进步。

  本文通过弯曲测试等表征手段,深入探讨了柔性光伏器件在机械应变下的性能变化。通过对1,000次弯曲循环下的功率转换效率(PCE)做测量,揭示了柔性光伏器件在不同应变条件下的机械稳定性及其对电性能的影响。特别是本文提出了在1%应变下进行1,000次弯曲循环的标准测试协议,并结合曲率半径的均匀分布应用,进一步揭示了柔性光伏器件在机械应力下的衰减规律。针对柔性光伏器件在弯曲过程中产生的光电性能衰减现象,本文通过对机械应变的微观机理表征,特别是测试了平行和垂直于电流方向的弯曲轴对器件性能的影响,得到了更全面的应力分布数据。通过这类细致的表征手段,挖掘了在不同应变方向和角度下,器件的机械稳定性与电性能衰退的关系。这些表征手段帮助研究者深入理解机械应力对柔性光伏器件的光电转换效率的影响,为今后器件结构设计和材料优化提供了参考依据。在此基础上,本文进一步提出了在不同测试条件下的建议,包括在不同环境和温度、湿度和大气压条件下的弯曲测试,以及结合光照稳定性测试(包括暗态和开路条件下的PCE测试)来探讨器件的长时间稳定性表现。这些测试结果为,柔性光伏器件在持续弯曲循环过程中,特别是在高Nbc值(高弯曲次数)和低速弯曲条件下,PCE表现出显著下降,而这主要与机械应力导致的器件材料损伤和光电性能退化有关。此外,本文通过原位J-V曲线测试,进一步分析了不同弯曲循环条件下器件的动态电性能变化,尤其是在持续1-sun光照和最大功率点(MPP)跟踪条件下,展示了机械应力对器件整体性能的长期影响。

  本文提出了一套系统的表征协议,通过对机械应变的量化分析,揭示了柔性光伏器件在不同弯曲条件下的性能变化。这种方法论不仅促进了不同研究成果的可比性,也为研究者在设计更具稳定性的器件时提供了明确的指导。其次,本调了在进行弯曲测试时应考虑多种外因,包括温度、湿度和大气压,进而揭示了外部环境对光伏性能的影响。这一发现提示研究者在评估柔性光伏器件时,需将外因纳入考量,以更全面地理解器件的实际表现。此外,通过结合机械应力与光电性能的动态变化分析,本文为未来材料优化和器件设计指明了方向,强调了在设计柔性电子器件时必须平衡机械柔韧性与光电性能之间的关系。原文详情:Fukuda, K., Sun, L., Du, B. et al. A bending test protocol for characterizing the mechanical performance of flexible photovoltaics. Nat Energy (2024).

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