电子元件的驱动方法

技术领域

本发明涉及一种电子元件的驱动方法，更具体而言，涉及一种电子元件的驱动方法，以使包括钙钛矿(perovskite)太阳能电池、有机太阳能电池等的电力供应源或其他电子元件具有更高的稳定性和寿命。

背景技术

通常，通过太阳能电池的电流电压特性可以知道的最大效率负载下的电力授受方法称为最大功率点追踪方式(Power Point Tracking，MPPT)。本发明的发明人近期通过研究阐明了，当向钙钛矿太阳能电池施加负载时，在晶界(grain boundary)、缺陷(defect)和界面(interface)处束缚的电荷(trapped charge)会累积，这时，累积的束缚电荷通过促进光吸收层的物质与空气中的水分和氧气之间不可逆的化学反应，导致性能急剧下降(参照“钙钛矿太阳能电池的驱动退化(Trapped charge driven degradation of perovskitesolar cells)”，崔万秀外8人著，2016.4.27.和“钙钛矿太阳能电池的驱动退化原子机理(Atomistic mechanism for trapped-charge driven degradation of perovskitesolar cells)”，崔万秀外6人著，2017.9.13.)。

另一方面，现有的最大功率点追踪方式是在太阳能电池每小时可产生最大功率的条件下授受电力的方法，将其应用于稳定的无机太阳能电池并没有不妥之处。然而，当将现有的最大功率点追踪方式直接应用于钙钛矿太阳能电池时，束缚在光吸收层中的电荷继续累积，这促进了光吸收层与空气中的水分和氧气之间不可逆的化学反应，导致性能急剧下降。即就近期研究的有机/无机钙钛矿太阳能电池而言，虽然具有价格低和发电效率高的优点，但由于稳定性极低，因此存在其寿命最多为几个月的问题。

发明内容

发明要解决的问题

有机/无机钙钛矿太阳能电池等的电力供应源的稳定性很低，使用寿命最长也才达数月，延长有机/无机钙钛矿太阳能电池的寿命是为至少需要几年的商业化步骤必须解决的问题。

因此，为了有机/无机钙钛矿太阳能电池等的电力供应源的商业化，需要一种对电荷累积具有长期稳定性的新的电力授受方法。

另外，除有机/无机钙钛矿太阳能电池以外的其他电子设备也需要一种新的驱动方法来确保长期稳定性。

用于解决问题的手段

本发明的电子元件的驱动方法，可包括：驱动电子元件步骤；以及向所述电子元件施加脉冲电压或脉冲电流的步骤。

发明效果

本发明中，电力供应源的电力授受方法不仅为了最大功率点追踪，而且还为了最大功率表点追踪和稳定化(Maximum Power Point Tracking&Stabilizing)，以特定周期施加特定脉冲，借助这种电力授受方法通过周期性的休息来增加寿命，但本发明不限于以上的简单原理，其还有如下优点：即通过在最大功率点追踪方式期间通过脉冲均匀地再分配累积的束缚电荷，抑制了光吸收层与空气中的水分和氧气之间的化学反应，从而延长了使用寿命。

本发明的电子元件的驱动方法能够有效地提取累积在元件内部的电子和空穴，因此可以防止由于电子和空穴在元件内部累积而缩短元件的寿命。

另外，本发明提供能够增加有机薄膜晶体管(OTFT)、有机发光二极管(OLED)、有机传感器和有机存储元件等的电子元件的寿命并确保长期稳定性的驱动方式。

尤其，如聚光型太阳能发电(Concentrator Photovoltaic，CPV)，聚光的强度很强的光照射到元件而使电子和空穴的生成在元件内部加速时，可通过本发明的电子元件的驱动方法有效地提高设备的性能和寿命。

附图说明

图1示出可适用于本发明的电子元件中的电力供应源100(例如，太阳能电池)的电路模型。

图2示出可适用于本发明的电力供应源100(例如，太阳能电池)的电流电压特性曲线和输出电压特性曲线。

图3示出根据本发明的一实施例施加最大功率点下的电压值和脉冲电压的情况的负载电压图表。

图4示出概略性地放大图3的图表中施加正向(forward)偏置脉冲电压的情况的重定比例(scaling)的图表和根据此的电流图表。

图5示出可适用于本发明的脉冲的示例。

图6示出，在没有负载的情况下(即负载电压＝0，短路电流的情况)驱动钙钛矿太阳能电池时，根据脉冲的存在与否的电流和最大功率的差异。

图7示出实验元件的初始电流电压特性曲线。.

图8是比较没施加脉冲的情况与施加反向脉冲的情况的标准化最大功率的图表。

图9是示出根据一实施例的用于计算脉冲电压的参数的图表。

图10是比较施加用图9的图表的参数计算出的脉冲电压的电子元件与仅用MPPT方式操作的电子元件的效率的图表。

图11是示出根据另一实施例的用于计算脉冲电压的参数的图表。

图12是比较施加用图11的图表的参数计算出的脉冲电压的电子元件与仅用MPPT方式操作的电子元件的效率的图表。

图13是示出根据另一实施例的用于计算脉冲电压的参数的图表。

图14是比较将用图13的图表的参数计算出的脉冲电压施加到开路(OC)条件下的电子元件的情况和不施加的情况的电子元件的效率的图表。

图15是示出根据另一实施例的用于计算脉冲电流的参数的图表。

具体实施方式

本发明的电子元件的驱动方法，可包括：驱动电子元件的步骤；以及向所述电子元件施加脉冲电压或脉冲电流的步骤。

在本发明的电子元件的驱动方法中，所述电子元件是电力供应源。驱动所述电子元件的步骤可包括驱动所述电力供应源的步骤。

在本发明的电子元件的驱动方法中，驱动所述电力供应源的步骤，可包括在所述电力供应源的最大功率点下提取功率的步骤。

在本发明的电子元件的驱动方法中，施加所述脉冲电压或脉冲电流的步骤，可包括以规定时间间隔施加所述脉冲电压或所述脉冲电流的步骤。

在本发明的电子元件的驱动方法中，施加所述脉冲电压或脉冲电流的步骤，可包括满足规定的条件时施加脉冲电压或脉冲电流的步骤。

在本发明的电子元件的驱动方法中，所述脉冲电压或所述脉冲电流可以是在由阶跃输入(step)、斜坡输入(ramp)、正弦波(sine wave)以及通过它们的运算而生成的信号构成的组中选择的至少一种构成的脉冲信号。

在本发明的电子元件的驱动方法中，所述电力供应源可以是太阳能电池。

在本发明的电子元件的驱动方法中，所述太阳能电池可以是钙钛矿太阳能电池。

在本发明的电子元件的驱动方法中，所述太阳能电池可以是有机太阳能电池。

在本发明的电子元件的驱动方法中，所述电子元件可以是在由有机薄膜晶体管(OTFT)、有机发光二极管(OLED)、有机传感器以及有机存储元件构成的组中选择的任一种。

在本发明的电子元件的驱动方法中，所述脉冲电压或所述脉冲电流可以基于所述电子元件的特性信息来计算。

在本发明的电子元件的驱动方法中，所述电子元件是太阳能电池，所述特性信息可以包括Isc、Rsh、Rs、i0、mkbT、Voc、Imax、Vmax、Pmax、FF和Eff中的一种以上。

在本发明的电子元件的驱动方法中，所述特性信息可以通过jv扫描(jv sweep)测算。

在本发明的电子元件的驱动方法中，所述特性信息可通过基于有限个jv值的运算来测算。

在本发明的电子元件的驱动方法中，所述jv值可以为从比驱动电压小0.3V的电压至比驱动电压大0.3V的电压中选择的值。

在本发明的电子元件的驱动方法中，所述有限个jv值的一部分可以在之前测算的电子元件的特性信息中选定。

本发明的电子元件的驱动方法，可以基于所述之前测算的电子元件的特性信息在最大功率点下提取功率。

在本发明的电子元件的驱动方法中，计算出的所述脉冲电压为比0小的值。

在本发明的电子元件的驱动方法中，所述脉冲电压可通过式1计算。

[式1]

Vp＝-r×Isc×Rs

Vp是脉冲电压，r是0.9至2的常数，Isc是电子元件的短路电流，Rs是电子元件的串联电阻。

在本发明的电子元件的驱动方法中，所述脉冲电压可通过式2计算。

[式2]

Vp＝-r×Voc

Vp是脉冲电压，r是0.1至0.3的常数，Voc是电子元件的开路电压。

在本发明的电子元件的驱动方法中，计算出的所述脉冲电压或所述脉冲电流可以为比0大的值。

在本发明的电子元件的驱动方法中，所述脉冲电压可通过式3计算。

[式3]

Vp＝r×Voc

Vp是脉冲电压，r是1至1.2的常数，Voc是电子元件的开路电压。

在本发明的电子元件的驱动方法中，所述脉冲电流可通过式3计算。

[式4]

Ip＝Isc×r

Ip是脉冲电流，r是0.1至1的常数，Isc是电子元件的短路电流。

本发明的电子元件的驱动方法，可在向所述电子元件施加脉冲电压的步骤之后，还包括通过式5计算误差率ε的步骤。

[式5]

ε＝100×((-Isc-Iout)/(-Isc))

Iout是在施加有脉冲电压的电子元件中输出的电流值，Isc是电子元件的短路电流。

本发明的电子元件的驱动方法，在计算所述误差率ε的步骤之后，可还包括，当所述误差率ε达到特定数值以上时，向电子元件施加比开路电压Voc更大的脉冲电压的步骤。

在本发明的电子元件的驱动方法中，所述太阳能电池可以与聚集光的聚光装置结合。

以下，详细说明本发明的一实施例的太阳能电池的电力授受方法。所附附图示出本发明的示例性的形式，这仅为进一步详细说明本发明而提供，本发明的技术范围不受它们的限制。

另外，与图号无关，对相同或对应的结构要素标注相同的附图标记，并省略对此的重复说明，且为了便于说明，所示的各构件的大小和形状可能以夸张或缩小的方式表示。

本发明的电子元件的驱动方法，包括：驱动所述电子元件的步骤(S10)；以及向所述电子元件施加脉冲电压或脉冲电流的步骤(S20)。

电子元件是在由电力供应源100、有机薄膜晶体管(OTFT)、有机发光二极管(OLED)、有机传感器、有机存储元件等构成的组中选择的至少一种。电力供应源100可通过光、热、电磁波、振动等的能源生成电。例如，电力供应源可以是通过太阳能生成电能的太阳能电池，可以是有机/无机钙钛矿太阳能电池、有机太阳能电池等的有机电子元件等。

驱动电子元件的步骤(S10)包括驱动电力供应源100的步骤。另外，驱动电力供应源100的步骤，包括在电力供应源100的最大功率点提取功率的步骤。

图1示出可适用于本发明的电子元件中的电力供应源100(例如，太阳能电池)的电路模型。参照图1，电力供应源100(例如，太阳能电池)的电路模型可由电流源(I

如图2所示，电力供应源100(例如，太阳能电池)具有电流电压特性曲线和输出电压特性曲线，当电力供应源100具有像这种太阳能电池一样的非线性特性时，为在电力供应源100中提取最大功率，通过监控从电力供应源100产生的功率，并在最大功率点下授受功率。在可通过太阳能电池的电流电压特性了解的最大效率负载下的电力授受方式称为最大功率点追踪方式(MPPT)。在驱动电子元件的步骤(S10)中，例如，在电力供应源的最大功率点下提取功率的步骤中，根据最大功率点追踪方式(MPPT)授受电力。

然而，在最大功率点持续授受电力时，束缚于光吸收层中的电荷持续累积，这加速了光吸收层与空气中的水分和氧气之间不可逆的化学反应，导致性能急剧下降。

由此，本发明中，包括向所述电子元件施加脉冲电压或脉冲电流的步骤(S20)。

根据本发明，作为施加到电力供应源100中的偏压，可通过施加脉冲电压或脉冲电流的方式实现。在图3的图表中，黑色线表示在最大功率点下的电压值，蓝色线或红色线指为在最大功率点下对电压值赋予变化而施加的脉冲电压。具体而言，蓝色线为施加正向(forward)偏置脉冲电压的情况，指施加能够施加比最大功率点的电压更大的负载电压的脉冲电压的情况。红色线为施加反向(reverse)偏置脉冲电压的情况，指施加能够向电力供应源100的光电流方向施加电压的脉冲电压的情况。图4示出概略性地放大图3的图表中的施加正向(forward)偏置脉冲电压的情况的重定比例(scaling)的图表和根据此的电流图表。

然而，本发明不限于上述内容，可施加从比最大功率点施加更大的负载的正向脉冲(forward)或向太阳能电池的光电流方向施加电压的反向脉冲(reverse)等的简单脉冲开始，至考虑元件而高度设计的脉冲的由选自阶跃(step)、斜坡(ramp)、正弦波(sinewave)以及通过它们的运算生成的信号中的至少一种构成的脉冲信号。

图5示出可适用于本发明的脉冲的示例。示出了正向阶跃(forward step)、反向阶跃(reverse step)、斜坡1(ramp1)、斜坡2(ramp2)、正弦波(sine wave)等的脉冲信号的示例，通过它们的“&”或“*”等的运算符号生成的所有变型

另一方面，如上所述，当向钙钛矿太阳能电池施加负载时，在晶界(GrainBoundary)、缺陷(Defect)和界面(Interface)处的束缚电荷(trapped charge)会累积，这时，累积的束缚电荷通过促进光吸收层的物质与空气中的水分和氧气之间不可逆的化学反应，而成为了性能下降的原因，但根据本发明，这种电荷可通过适当的电脉冲而被均匀地再分配(detrap)。

根据本发明，电子元件(例如，电力供应源100)可以连接到作为偏压能够施加脉冲电路的控制电路(未图示)。

另外，根据本发明，向所述电子元件施加脉冲电压或脉冲电流的步骤(S20)，包括以规定时间间隔施加所述脉冲电压或所述脉冲电流的步骤。即通过现有的最大功率点追踪方式从钙钛矿太阳能电池授受电力的过程中，可以以规定的时间间隔施加能够稳定电力供应源100的脉冲信号。例如，规定的时间间隔可以为0.1秒至1秒。

另外，根据本发明，向所述电子元件施加脉冲电压或脉冲电流的步骤(S20)，包括满足规定的条件时施加脉冲电压或脉冲电流的步骤。作为规定的条件，假设满足如温度效应之外的其他效率降低等的条件时，可以施加脉冲电压或脉冲电流。例如，由于太阳能电池的性能变化状态根据效率降低区间的不同而不同，因此可根据规定的条件施加最适的脉冲电压或脉冲电流。更具体而言，可在出现元件的性能降低之前、性能降低的初期区间、性能降低较多的区间，可施加不同的最优化的脉冲。

图6示出，在没有负载的情况下(负载电压(load voltage)＝0，短路(shortcircuit))驱动钙钛矿太阳能电池时，根据脉冲的存在与否的电流和最大功率的差异，其是以30分钟为间隔检测电流电压曲线而获得的结果。从图6可以看出，施加脉冲的情况相比于没有施加脉冲的情况可具有更长的寿命。

图7为实验元件的初始电流电压特性曲线，尤其可知两个元件的初期性能相同。作为图7的实验元件，例如，可使用以铟锡氧化物(Indum Tin Oxcide)、富勒烯(Fullerene)、钙钛矿光吸收层(CH

图8是比较没施加脉冲的情况(蓝色线)与施加反向脉冲的情况(橙色线)的标准化最大功率的图表。

施加到元件的脉冲电压或脉冲电流可基于电子元件的特性信息来计算。当电子元件为太阳能电池时，特性信息可包Isc、Rsh、Rs、i0、mkbT、Voc、Imax、Vmax、Pmax、FF和Eff中的一种以上。Isc是电子元件的短路电流，是电子元件的电压为0时的电流值。Rsh是电子元件的短路电阻。Rs是电子元件的串联电阻。i0是反向饱和电流。mkbT是考虑到热波动(KbT)和电子元件的统计特性(m)的电子元件的特性系数。Voc是电子元件的开路电压，是电子元件的电流为0时的电压值。Imax是在最大功率点的电流值。Vmax是在最大功率点的电压值。Pmax是在最大功率点的功率值。

FF是在最大功率点的电流密度和电压值的乘积(Vmax×Imax)除以Voc和Isc的乘积的值。

Eff是元件的驱动效率，例如，可以计算为每元件面积的Isc、Voc和FF的乘积(Eff＝(Isc×Voc×FF)/(单位面积))。

电子元件的特性信息可通过jv扫描(jv sweep)测算。Jv扫描可以是通过在施加特定电压的同时测量电流来获知j-v曲线(curve)，以了解电子元件的驱动特性。J可以是面电流密度，v可以是电压。

特性信息可通过基于有限个jv值的运算来测算。jv值选自比驱动电压小0.3V的电压至比驱动电压大0.3V的电压的值。优选地，jv值选自比驱动电压小0.2V的电压至比驱动电压大0.2V的电压的值。jv值可以是施加到电子元件的电压值，以便为了了解电子元件的驱动特性而测定面电流密度。驱动电压可以是为驱动电子元件而施加到电子元件的电压。

有限个jv值的一部分可在之前测算的电子元件的特性信息中选定。即在进行电子元件的测算时，用于测算的变量，可基于之前测算的电子元件的测算信息而获得。具体而言，可基于之前测算的电子元件的特性信息在最大功率点提取功率。

图9是示出根据一实施例的用于计算脉冲电压的参数的图表，图10是比较施加用图9的图表的参数计算出的脉冲电压的电子元件与仅用MPPT方式操作的电子元件的效率的图表。作为一实施例，脉冲电压Vp可以是短路电流Isc和电子元件内部的串联电阻Rs的乘积。更具体而言，通过对两个参数的相乘值取负值时，则其为反向偏置脉冲电压。脉冲电压可通过下述式1计算。

[式1]

Vp＝-r×Isc×Rs

Isc为短路电流，指电子元件两端之间的电压差为0时，流经导线的电流值。Rs是电子元件内部的串联电阻值，是电流为0时以电流对电压进行微分得到的值。r是在驱动时指定的常数值。

例如，如图9所示，当Rs为70ohm，且Isc为1.8mA时，脉冲电压Vp可以为-0.126V。

图10是示出以ITO/SnO2/(FAI)0.9(MABr)0.1PbI2/Spiro-MeOTAD/Au(玻璃封装(Glass encap))元件进行实验的数据的图表，是相对于初始值绘制(plotting)通过以1小时间隔执行jv-sweep获得的效率(pce)值。图10的图表示出，以1小时为间隔向电子元件施加30秒的脉冲电压Vp的情况(红色)时的寿命比仅用MPPT方式操作的元件的情况(黑色)得到提高。对于仅通过MPPT方式驱动的电元件，每100小时效率降低了约5％，与通过本发明的电子元件的驱动方法驱动的元件相比，每100小时效率降低了约1％。

图11是示出根据另一实施例的用于计算脉冲电压的参数的图表，图12是比较施加用图11的图表的参数计算出的脉冲电压的电子元件与仅用MPPT方式操作的电子元件的效率的图表。作为另一实施例，脉冲电压Vp可以是开路电压Voc和常数值r的乘积。更具体而言，通过对两个参数的相乘值取负值时，则其为反向偏置脉冲电压。脉冲电压可通过下述式2计算。

[式2]

Vp＝-r×Voc

Voc为开路电压，是流经电子元件的电流为0时，施加到电子元件的两端之间的电压。r是驱动时指定的常数值。例如，如图11所示，当Voc为1.1V且r为0.1时，Vp可以为-0.11V。

图12是示出以ITO/SnO2/(FAI)0.9(MABr)0.1PbI2/Spiro-MeOTAD/Au(玻璃封装(Glass encap))元件进行实验的数据的图表，是相对于初始值绘制(plotting)通过以1小时间隔执行jv-sweep获得的效率(pce)值。图12的图表示出，以1小时为间隔向电子元件施加30秒的脉冲电压Vp的情况(红色)时的寿命比仅用MPPT方式操作的元件的情况(黑色)得到提高。仅通过MPPT方式驱动的电元件的每100小时效率降低了约5％，与通过本发明的电子元件的驱动方法驱动的元件相比，每100小时效率降低了约3％。

图13是示出根据另一实施例的用于计算脉冲电压的参数的图表，图14是比较将用图13的图表的参数计算出的脉冲电压施加到开路(OC)条件下的电子元件的情况和不施加的情况的电子元件的效率的图表。作为另一实施例，脉冲电压Vp是开路电压Voc和常数值r的乘积，可以是正向偏置脉冲电压。脉冲电压可通过下述式3计算。

[式3]

Vp＝r×Voc

Voc为开路电压，是流经电子元件的电流为0时，施加到电子元件的两端之间的电压。r是驱动时指定的常数值。例如，如图13所示，当Voc为1V且r为1.09时，Vp可以为1.09V。

图14是示出以ITO/C60/MAPbI3/Spiro-MeOTAD/Au元件进行实验的数据的图表，是相对于初始值绘制(plotting)通过对持续暴露在1倍太阳光强(1sun)条件下的电子元件以10分钟间隔执行jv-sweep获得的效率(pce)值。图14的图表示出，以1分钟为间隔向电子元件施加60秒的脉冲电压Vp的情况(红色)时的寿命比OC条件下的情况(黑色)得到提高。

图15是示出根据另一实施例的用于计算脉冲电流的参数的图表。作为另一实施例，脉冲电流Ip是短路电流Isc和常数值r的乘积，可以是正向偏置脉冲电流。脉冲电流可通过下述式4计算。

[式4]

Ip＝Isc×r

Isc为短路电流，指电子元件两端之间的电压差为0时，流经导线的电流值。r是驱动时指定的常数值。例如，如图15所示，当Isc为1.8mA且r为0.1时，脉冲电流Ip为0.18mA。

本发明的电子元件的驱动方法，在向电子元件施加脉冲电压的步骤之后，还包括通过式5计算误差率ε的步骤。计算误差率ε的步骤，可在向电子元件施加小于0的脉冲电压时计算。

[式5]

ε＝100×((-Isc-Iout)/(-Isc))

Iout是在施加有脉冲电压的电子元件中输出的电流值，Isc是电子元件的短路电流。当误差率ε值超过约5％时，可向电子元件施加比Voc更大的脉冲电压。

通过上述方式计算出的脉冲电压，在施加到用于聚光型太阳能发电系统的太阳能电池时，能够表现出更显著的效果。已知在太阳能发电方法中，就收集从太阳入射的光并以较小的面积产生高输出的聚光型太阳能板而言，由于入射强度高的光，因此在元件内部生成的电子和空穴的数量非常多，因此性能下降更快。在这种聚光型太阳能发电系统适用本发明的电子元件的驱动方法时，能够有效地提取累积在电子元件内部的电子和空穴。

在聚光型太阳能板中，聚光型太阳能电池可以与用于聚光的聚光装置结合。聚光装置可以是聚焦光的光学装置，例如透镜、反射镜。

作为本发明的示例，以电力供应源100的情况作为例子进行了说明，但是本发明不限于上述实施例，可根据实现本发明的各种条件和环境进行各种修改、改变、应用，如以在有机薄膜晶体管(OTFT)、有机发光二极管(OLED)、有机传感器、有机存储元件等的驱动中施加脉冲电压的方式实现等。

应该理解，本发明所属领域的技术人员可以在不改变本发明的技术思想或必要特征的情况下，以其他具体形式来实施上述本发明的技术构成。因此，应当理解，上述实施例在所有方面都是示例性的，而不是限制性的。同时，本发明的范围由权利要求书表示，而不是上面的详细描述。另外，从权利要求书的含义和范围及其等同概念得出的所有改变或修改应被解释为包括在本发明的范围内。

工业实用性

本发明中，电力供应源的电力授受方法不仅为了最大功率点追踪，而且还为了最大功率表点追踪和稳定化(Maximum Power Point Tracking&Stabilizing)，以特定周期施加特定脉冲，借助这种电力授受方法通过周期性的休息来增加寿命，但本发明不限于以上的简单原理，其还有如下优点：即通过在最大功率点追踪方式期间通过脉冲均匀地再分配累积的束缚电荷，抑制了光吸收层与空气中的水分和氧气之间的化学反应，从而延长了使用寿命。

本发明的电子元件的驱动方法能够有效地提取累积在元件内部的电子和空穴，因此可以防止由于电子和空穴在元件内部累积而缩短元件的寿命。

另外，本发明提供能够增加有机薄膜晶体管(OTFT)、有机发光二极管(OLED)、有机传感器和有机存储元件等的电子元件的寿命并确保长期稳定性的驱动方式。

尤其，如聚光型太阳能发电(Concentrator Photovoltaic，CPV)，聚光的强度很强的光照射到元件而使电子和空穴的生成在元件内部加速时，可通过本发明的电子元件的驱动方法有效地提高设备的性能和寿命。