西南石油大學(xué)Science：封裝穩(wěn)定鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的氣相色譜-質(zhì)譜分析

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）的能量轉(zhuǎn)換效率在從3.8%提高到25.2%甚至更高，但它們的商業(yè)化受到不穩(wěn)定性的限制。研究者們開(kāi)發(fā)了一種低成本的聚合物/玻璃堆疊封裝方案，使PSCs能夠通過(guò)IEC 61215標(biāo)準(zhǔn)的濕熱和濕度冷凍測(cè)試。這些測(cè)試通過(guò)重復(fù)的溫度循環(huán)（-40°C至85°C）和85%的相對(duì)濕度來(lái)確定鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是否能承受戶(hù)外操作條件的影響。美能溫濕度綜合環(huán)境試驗(yàn)箱用于環(huán)境模擬試驗(yàn)，為了驗(yàn)證評(píng)估鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的可靠性，并通過(guò)熱疲勞誘導(dǎo)失效模式，早期識(shí)別制造缺陷。

一種低成本的聚合物/玻璃堆封裝方案，使穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池通過(guò)了IEC61215標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于耐濕熱和耐凍融的要求。通過(guò)氣相色譜-質(zhì)譜法對(duì)未封裝和封裝后的鈣鈦礦電池進(jìn)行了分析，檢測(cè)到在熱應(yīng)力下有機(jī)鈣鈦礦混合體分解的標(biāo)志性揮發(fā)性產(chǎn)物，并證實(shí)了所開(kāi)發(fā)的低成本壓緊聚合物/玻璃堆封裝方案的有效性。

IEC 61215標(biāo)準(zhǔn)的濕熱和濕凍測(cè)試中的性能變化

封裝鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖

IEC 61215 三種測(cè)試的具體條件

封裝電池的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）隨測(cè)試時(shí)間的變化，包括在濕熱測(cè)試中的持續(xù)時(shí)間和在濕度冷凍測(cè)試中的循環(huán)次數(shù)。

濕熱測(cè)試：模擬了高溫和高濕度的環(huán)境條件，這對(duì)于評(píng)估電池在熱帶氣候下的耐久性至關(guān)重要。圖中顯示，PIB寬毯封裝的電池在濕熱測(cè)試中表現(xiàn)出色，而邊緣密封的電池性能下降較快。

濕度冷凍測(cè)試：結(jié)合了濕熱和熱循環(huán)測(cè)試，對(duì)電池的封裝和材料穩(wěn)定性提出了更高的要求。PIB寬毯封裝的電池在75個(gè)濕度冷凍循環(huán)后沒(méi)有出現(xiàn)性能退化，遠(yuǎn)超IEC標(biāo)準(zhǔn)（10個(gè)循環(huán)）的要求。

使用PIB寬毯封裝的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在濕熱和濕度冷凍測(cè)試中表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，這對(duì)于提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的商業(yè)化前景具有重要意義。

不同退火條件下有機(jī)鈣鈦礦前體的分解產(chǎn)物

有機(jī)鈣鈦礦前體在不同退火條件下的分解產(chǎn)物

在不同溫度條件下，通過(guò)GC-MS技術(shù)成功識(shí)別了有機(jī)鈣鈦礦前體的主要熱分解產(chǎn)物，包括CH3I、CH3Br和NH3等。分解產(chǎn)物的類(lèi)型和數(shù)量隨退火溫度的不同而變化，表明鈣鈦礦前體的熱穩(wěn)定性受到溫度的顯著影響。含有溴（Br）的前體（如MABr）相對(duì)于含有碘（I）的前體（如MAI和FAI）更不易于熱分解，這可能與Br-的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。

對(duì)于封裝的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，封裝結(jié)構(gòu)顯著降低了分解產(chǎn)物的釋放，表明封裝可以有效抑制鈣鈦礦材料的熱分解。強(qiáng)調(diào)了封裝技術(shù)在提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池熱穩(wěn)定性和耐久性方面的重要性，并為進(jìn)一步優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

封裝對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池?zé)岱€(wěn)定性的影響

未封裝和封裝測(cè)試電池的示意圖

未封裝的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)，包括鈣鈦礦層、空穴傳輸層、電子傳輸層和金屬電極等。采用不同封裝方法的電池，例如使用聚異丁烯（PIB）或聚烯烴（PO）作為封裝材料，以及可能的玻璃覆蓋層。

未封裝和封裝鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在85°C下退火100小時(shí)后的分解產(chǎn)物

未封裝結(jié)構(gòu)中某些成分會(huì)出現(xiàn)分解產(chǎn)物，而封裝可以有效降低分解產(chǎn)物的強(qiáng)度。同時(shí)，不同的封裝方式也有一定的抑制分解產(chǎn)物逸出的效果。此外，通過(guò)比較不同細(xì)胞（如 CsFAMA 和 FAMA）進(jìn)一步了解材料成分對(duì)熱穩(wěn)定性的影響。對(duì)于評(píng)估封裝方案的有效性以及研究鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性具有重要意義。

對(duì)于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，必須能夠忍受長(zhǎng)期的環(huán)境應(yīng)力，包括水分、熱量和光線等因素的影響。IEC61215的這些測(cè)試作為標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)估手段，是判斷鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是否能夠滿(mǎn)足商業(yè)應(yīng)用要求的重要依據(jù)。

美能溫濕度綜合環(huán)境試驗(yàn)箱

滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn):IEC61215-MQT12（濕凍試驗(yàn)）、MQT13（濕熱試驗(yàn)）

• 濕熱試驗(yàn)：85°C和85%相對(duì)濕度，持續(xù)1000小時(shí)
• 濕凍試驗(yàn)：溫度循環(huán)從-40°C到85°C，85%相對(duì)濕度，10個(gè)循環(huán)

采用進(jìn)口溫度控制器，實(shí)現(xiàn)多段溫度編程，精度高，可靠性好

不同的封裝方案對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在濕熱和濕度凍結(jié)試驗(yàn)中的性能表現(xiàn)不同，有效的封裝技術(shù)對(duì)于提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的熱穩(wěn)定性和耐久性至關(guān)重要。美能溫濕度綜合環(huán)境試驗(yàn)箱用于環(huán)境模擬試驗(yàn)，為了驗(yàn)證評(píng)估鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的可靠性，是判斷鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是否能夠滿(mǎn)足商業(yè)應(yīng)用要求的重要依據(jù)。