鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中的潛在誘導(dǎo)降解（PID）分析

盡管鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能取得了很大進(jìn)展，但對(duì)其潛在誘導(dǎo)降解(PID)仍未得到充分研究。通過(guò)對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池進(jìn)行60℃環(huán)境模擬，施加1000 V偏置電壓1天，發(fā)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換效率損失50%，這是由于鈣鈦礦元素的擴(kuò)散導(dǎo)致電池結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞從而引發(fā)潛在誘導(dǎo)降解。「美能光伏」?jié)撛陔妱?shì)誘導(dǎo)衰減測(cè)試儀（PID）通過(guò)測(cè)試鈣鈦礦電池組件長(zhǎng)期在惡劣環(huán)境下發(fā)生PID衰減后來(lái)評(píng)估組件的電性能是否符合要求。

PID測(cè)試后對(duì)鈣鈦礦電池PCE的研究分析

目前有研究表明，對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池進(jìn)行IEC61215：2021標(biāo)準(zhǔn)中的MQT21PID測(cè)試后，其光電轉(zhuǎn)換效率損失約50%。這是由于一些包括Br、I、Pb和Cs等元素在測(cè)試后擴(kuò)散到其他層，鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致其光學(xué)和電學(xué)降解，這一問(wèn)題引起了光伏廠商的關(guān)注。使用封裝后的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其初始光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）介于21.8%至26.6%之間。通過(guò)以下特定的測(cè)試步驟，以評(píng)估PID效應(yīng)及其恢復(fù)方法。

鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、PID測(cè)試裝置下元素?cái)U(kuò)散示意圖

測(cè)試步驟和具體細(xì)節(jié)見(jiàn)下圖表：

具體測(cè)試步驟:

對(duì)照組：在氮?dú)夤裰校?35%RH

p-PID：+1,000 V偏置，在60°C、<20%RH的試驗(yàn)箱中。

n-PID：-1,000 V偏置，在60°C、<20%RH的試驗(yàn)箱中。

退火：在60°C、<20%RH的試驗(yàn)箱中退火，無(wú)電壓偏置。

光浸：太陽(yáng)強(qiáng)度透光，在22℃室溫的開(kāi)路環(huán)境下，無(wú)電壓偏置。

多維度電學(xué)性能參數(shù)分析

對(duì)照組：控制樣品（無(wú)偏壓）在同一溫度下保留了84%的初始PCE。

p-PID：+1000V偏壓，60°C條件下22小時(shí)，對(duì)疊層模塊未造成PID效應(yīng)。

n-PID：-1000V偏壓，60°C條件下22小時(shí)，PCE急劇下降到初始值的53%。

歸一化后的IV參數(shù)趨勢(shì)

參數(shù)PCE、短路電流密度(Jsd)、開(kāi)路電壓(Vod)、FF的變化趨勢(shì)歸一化至初始狀態(tài)。上圖我們可以看到，該樣品顯示的變化與僅退火的樣品相似，這表明+1,000V偏置不會(huì)導(dǎo)致串聯(lián)模塊中的PID。

從圖A中，鈣鈦礦電池在n-PID測(cè)試下，PCE的變化趨勢(shì)。相比之下，相同溫度下保持無(wú)電壓偏置的樣品降解速度要慢得多，保留了約84%的初始PE。

將樣品分為兩組，以測(cè)試是否可以通過(guò)隨后的測(cè)試步驟(p-PID或光浸泡)恢復(fù)PID。經(jīng)過(guò)p-PID處理的樣品(4和5)的恢復(fù)速度比對(duì)照組快，在前11小時(shí)內(nèi)，它們的pce從~52%增加到>65%。但在延長(zhǎng)p-PID期間，它們的PCE下降，降解速率與退火后的對(duì)照樣品相似。這表明n-PID效應(yīng)可以通過(guò)p-PID測(cè)試部分恢復(fù)。然而，在退火環(huán)境下的p-PID測(cè)試可能同時(shí)導(dǎo)致熱降解。在第二組中，我們發(fā)現(xiàn)光浸泡不能恢復(fù)所研究模塊的n-PID效應(yīng)。相反，它會(huì)導(dǎo)致進(jìn)一步的降解。

從圖C、E、G可以看出，PID對(duì)PCE的影響主要是由FF降解引起的，特別是在n-PID測(cè)試的前11小時(shí)，隨后是Voc和Jsc的損失。圖B、D、F、H所示的弱光(0.1個(gè)太陽(yáng))IV性能的趨勢(shì)與1個(gè)太陽(yáng)條件下的趨勢(shì)相似，受n-PID影響的樣品在0.1個(gè)太陽(yáng)下的PCE退化高于1個(gè)太陽(yáng)。由于IV性能在低光強(qiáng)下比在高光強(qiáng)下對(duì)分流電阻更敏感,這種差異表明n-PID誘導(dǎo)分流。

不同樣品中串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻相關(guān)斜率分析

由于FF的變化對(duì)PCE變化的貢獻(xiàn)最大，有必要分析其主要成分,如串聯(lián)模塊的串聯(lián)電阻Rs和并聯(lián)電阻Rsh。

不同樣品中Rs和Rsh相關(guān)斜率的定性分析

當(dāng)串聯(lián)電阻Rs增加時(shí)，會(huì)導(dǎo)致IV曲線在短路電流（Jsc）附近變得更加平緩，PID測(cè)試后IV曲線的Jsc附近斜率減小，可以推斷Rs有所增加。n-PID測(cè)試通過(guò)引入缺陷或增加界面電阻來(lái)影響串聯(lián)電阻。

當(dāng)Rsh減小時(shí)，漏電通道變得更加顯著，導(dǎo)致電流在較低的電壓下就能通過(guò)這些通道流動(dòng)，從而降低FF。PID測(cè)試后IV曲線的變化更為敏感，由于Rsh減小而引起的性能退化。

EL和PL

EL和PL圖像

我們?cè)诿總€(gè)測(cè)試步驟后測(cè)量了樣品的EL和PL圖像，結(jié)果顯示鈣鈦礦初始EL信號(hào)比PID測(cè)試后的EL信號(hào)高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，高于硅亞電池的EL信號(hào)，這表明PID可以引起的非輻射復(fù)合以降低鈣鈦礦的EL。

基于鈣鈦礦電池中潛在的PID機(jī)制，一種改善策略是使用無(wú)封裝的組件結(jié)構(gòu)，電池被惰性氣氛包圍與玻璃沒(méi)有直接接觸，因此潛在偏壓幾乎完全落在玻璃和惰性氣氛之間的界面上，在PID測(cè)試中引起模塊退化的離子遷移被惰性氣氛所阻止。然而封裝劑可以提供機(jī)械支撐、光學(xué)耦合、電器隔離和環(huán)境保護(hù)，所以研究有封裝劑的模塊結(jié)構(gòu)中的PID效應(yīng)也很重要，對(duì)于使用封裝劑的模塊，未來(lái)一個(gè)潛在的研究方向是引入一種阻隔材料。

綜上所述，引入屏障或結(jié)構(gòu)以防止元素從鈣鈦礦層中擴(kuò)散出來(lái)，是減輕PID效應(yīng)的一種策略。此外，進(jìn)一步研究PID效應(yīng)的機(jī)制，并開(kāi)發(fā)新的封裝材料和工藝，以提高鈣鈦礦組件的PID抵抗能力。

「美能光伏」?jié)撛陔妱?shì)誘導(dǎo)衰減測(cè)試儀

美能潛在電勢(shì)誘導(dǎo)衰減測(cè)試儀ME-PV-PID通過(guò)模擬鈣鈦礦太陽(yáng)能電池長(zhǎng)期在惡劣環(huán)境（高溫，高濕，高鹽堿的沿海地區(qū)）下發(fā)生PID衰減后來(lái)評(píng)估組件的電性能是否能符合要求。根據(jù)IEC61215：2021標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)的光伏組件PID測(cè)試系統(tǒng)。

評(píng)估光伏組件承受系統(tǒng)偏壓的能力

測(cè)試光伏組件承受系統(tǒng)電壓、溫度、濕度等各種應(yīng)力的能力

• 正反向切換直流電源：電壓范圍（-2500~2500V）

對(duì)鈣鈦礦PID測(cè)試中觀察到鈣鈦礦電池由于元素的擴(kuò)散而發(fā)生降解，「美能光伏」潛在電勢(shì)誘導(dǎo)衰減測(cè)試儀PID通過(guò)模擬鈣鈦礦太陽(yáng)能電池長(zhǎng)期在惡劣環(huán)境（高溫，高濕，高鹽堿的沿海地區(qū)）下發(fā)生PID衰減后來(lái)評(píng)估組件的電性能是否能符合要求。