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原創(chuàng)丨彤心未泯（學(xué)研匯 技術(shù)中心）
編輯丨風(fēng)云
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金屬鹵化物鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSCs)或光伏電池(PV)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)低成本、高效率、大規(guī)模(太瓦級(jí))應(yīng)用的重要技術(shù)，單結(jié)和串聯(lián)應(yīng)用都獲得了前所未有的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)。為了推動(dòng)PSCs從實(shí)驗(yàn)室走向商業(yè)化，了解和提高PSCs在真實(shí)戶(hù)外條件下的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性至關(guān)重要。
然而，PSCs的穩(wěn)定性測(cè)試仍存在以下問(wèn)題：
1、目前的PSCs的穩(wěn)定性測(cè)試大多在室內(nèi)進(jìn)行
目前，PSCs的穩(wěn)定性測(cè)試是在室內(nèi)進(jìn)行的，如何定量地了解室內(nèi)測(cè)試和室外現(xiàn)場(chǎng)操作之間的相關(guān)性非常重要，這需要評(píng)估和識(shí)別關(guān)鍵退化機(jī)制以及相關(guān)故障模式及其與設(shè)備組件的關(guān)系。
2、亟需建立室內(nèi)加速測(cè)試方法以達(dá)到商業(yè)化穩(wěn)定性目標(biāo)
為了推動(dòng)PSC走向商業(yè)化，有必要確定加速室內(nèi)測(cè)試協(xié)議——該協(xié)議可以將特定壓力源與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中觀察到的退化模式相關(guān)聯(lián)，以快速指導(dǎo)PSC開(kāi)發(fā)。
有鑒于此，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室朱凱等人使用最先進(jìn)的p-i-n PSC 堆疊（PCE 高達(dá)約25.5%）來(lái)表明室內(nèi)加速穩(wěn)定性測(cè)試可以預(yù)測(cè)6個(gè)月的室外老化測(cè)試。光照和高溫下的設(shè)備退化率對(duì)于了解戶(hù)外設(shè)備的穩(wěn)定性最具指導(dǎo)意義。作者發(fā)現(xiàn)，基于氧化銦錫（ITO）/自組裝單層（SAM）的空穴傳輸層（HTL）/鈣鈦礦界面對(duì)器件運(yùn)行穩(wěn)定性影響最大。通過(guò)改善SAM HTL的離子阻擋特性可將50°C–85°C下的平均器件運(yùn)行穩(wěn)定性提高約2.8倍，在20 %的降解率下，在85°C下穩(wěn)定性可超過(guò)1000小時(shí)，在50°C下接近8200小時(shí)，這是迄今為止高效p-i-n PSC中穩(wěn)定性表現(xiàn)最好的。
技術(shù)方案：
1、探究了設(shè)備性能和室內(nèi)壓力測(cè)試
作者重點(diǎn)研究了p-i-n PSC典型器件，表明該器件具有高PCE，良好的再現(xiàn)性以及良好的穩(wěn)定性，但仍需建立多種應(yīng)力下的設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性測(cè)試以建立室內(nèi)室外測(cè)試之間的聯(lián)系。
2、研究了器件穩(wěn)定性的溫度效應(yīng)
作者檢查了器件在 1.2-sun和 25°C 至 85°C 高溫范圍下的穩(wěn)定性，結(jié)果表明隨著設(shè)備工作溫度的升高，電池平均降解速度更快。
3、研究了器件在戶(hù)外條件下的老化行為
作者研究了戶(hù)外老化條件下的器件穩(wěn)定性，表明高溫與光照的組合是最關(guān)鍵的應(yīng)力條件。
4、探究了界面改善對(duì)器件穩(wěn)定性的影響
作者通過(guò)基于MeO-2PACz和Me-4PACz混合SAMs改善了器件的離子阻斷性能，平均T80在85°C時(shí)超過(guò)1000小時(shí)，并在50°C時(shí)進(jìn)一步增加到接近8200小時(shí)，活化能提高了約2.8倍。
技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
1、建立了室內(nèi)穩(wěn)定性加速測(cè)試和室外老化測(cè)試之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系
作者通過(guò)p-i-n型PSCs電池，在光照和高溫下進(jìn)行室內(nèi)操作，快速識(shí)別了鈣鈦礦器件的關(guān)鍵不穩(wěn)定機(jī)制，通過(guò)建模建立了室內(nèi)加速穩(wěn)定性測(cè)試和室外老化測(cè)試之間的關(guān)系。
2、獲得了迄今為止最好的高效p-i-n型PSCs之一
基于鈣鈦礦器件不穩(wěn)定機(jī)制的解析，作者通過(guò)對(duì)HTL進(jìn)行簡(jiǎn)單修改，在1.2-sun光照下，在50°C–85°C平均器件穩(wěn)定性提高約2.8倍，在85°C下T80超過(guò)1000小時(shí)，在50°C下T80接近8200小時(shí)。
技術(shù)細(xì)節(jié)
設(shè)備性能和室內(nèi)壓力測(cè)試
在本研究中，作者重點(diǎn)研究了p-i-n PSC典型器件，J-V特性曲線表明該器件的反向和正向掃描的PCE分別為25.58%和25.49%，相應(yīng)的穩(wěn)定功率輸出（SPO）PCE達(dá)到25.52%。作者表明了該器件具有良好的再現(xiàn)性以及良好的穩(wěn)定性。存儲(chǔ)、室溫操作、熱循環(huán)和濕熱測(cè)試的穩(wěn)定性結(jié)果可以分別解決不同的壓力因素，從而測(cè)試p-i-n PSC 和器件封裝的穩(wěn)健性。然而，在實(shí)際操作中，這些單獨(dú)的應(yīng)力因素將同時(shí)起作用，影響設(shè)備操作并產(chǎn)生性能退化。識(shí)別和理解可靠性限制機(jī)制需要研究在應(yīng)力條件組合下運(yùn)行的設(shè)備的室外和室內(nèi)測(cè)試之間進(jìn)行迭代。
圖 裝置特性及穩(wěn)定性
溫度效應(yīng)
為了進(jìn)一步了解溫度和光照共同作用下對(duì)器件穩(wěn)定性的影響，作者檢查了器件在 1.2-sun和 25°C 至 85°C 高溫范圍下的穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，隨著設(shè)備工作溫度的升高，電池平均降解速度更快，T80從25°C時(shí)的約14580小時(shí)減少為85°C時(shí)的約360小時(shí)，在85°C下老化的器件的降解速度比在25°C下老化的器件快40倍。根據(jù)不同溫度下的小時(shí)降解率 (1/T80)，估算出表觀活化能 (Ea)約 0.59 eV，以合理地描述 25°C 至 85°C 溫度范圍內(nèi)的限速降解過(guò)程。
圖 溫度依賴(lài)性穩(wěn)定性研究
戶(hù)外老化
接著，作者研究了戶(hù)外老化條件下的器件穩(wěn)定性。由于較高的溫度對(duì)器件在光照下的運(yùn)行更加不利，因此在戶(hù)外老化測(cè)試過(guò)程中跟蹤了環(huán)境溫度的變化。作者展示了室外穩(wěn)定性測(cè)試期間的每周溫度趨勢(shì)，定期將室外設(shè)備帶回室內(nèi)，在固定條件的太陽(yáng)模擬器下測(cè)量設(shè)備 PCE，以監(jiān)測(cè)設(shè)備退化行為。使用與溫度相關(guān)的每小時(shí)退化率和室外測(cè)試溫度來(lái)模擬室外操作期間設(shè)備退化的程度。在室外條件下26周后，設(shè)備仍保持初始PCE的約 66%–75%。這表明高溫與光照的組合是最關(guān)鍵的應(yīng)力條件，并且在封裝良好的設(shè)備沒(méi)有濕氣進(jìn)入的情況下，它可以用于定量預(yù)測(cè)測(cè)試期間戶(hù)外操作條件下的電池性能。
圖 戶(hù)外老化測(cè)試
界面改善及穩(wěn)定性研究
界面工程在提高 PSC 效率和穩(wěn)定性方面顯示出了巨大的前景。作者懷疑底部界面區(qū)域的（ITO/HTL/鈣鈦礦）限制了器件在高溫照明下的穩(wěn)定性。DFT計(jì)算和電化學(xué)測(cè)量表明，基于MeO-2PACz和Me-4PACz混合SAMs的HTL比MeO-2PACz具有更強(qiáng)的離子阻斷性能，導(dǎo)致其在高溫下具有更高的界面穩(wěn)定性。作者檢查了基于MeO-2PACz和Me-4PACz混合SAM的 p-i-n PSC 的室內(nèi)和室外運(yùn)行穩(wěn)定性。結(jié)果表明，平均T80在85°C時(shí)超過(guò)1000小時(shí)，并在50°C時(shí)進(jìn)一步增加到接近8200小時(shí)，與基于MeO-2PACz的器件相比，活化能提高了約2.8倍。該結(jié)果強(qiáng)調(diào)了識(shí)別和改進(jìn) PSC 最薄弱組件對(duì)于高溫下穩(wěn)定器件運(yùn)行的重要性，這對(duì)于戶(hù)外應(yīng)用的 PSC 開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。
圖 基于混合SAM HTL的室外和室內(nèi)穩(wěn)定性測(cè)試
總之，在本研究中，作者使用由多個(gè)ISOS穩(wěn)定性測(cè)試協(xié)議組成的最先進(jìn)的p-i-n PSC平臺(tái)展示了大量穩(wěn)定性評(píng)估，研究結(jié)果表明在光照條件下進(jìn)行高溫運(yùn)行穩(wěn)定性測(cè)試與室外運(yùn)行電池測(cè)試有很好的相關(guān)性。ITO/SAM HTL/鈣鈦礦界面對(duì)于提高器件在高溫下的運(yùn)行穩(wěn)定性至關(guān)重要。基于本工作解析的PSC降解機(jī)制，在光照下進(jìn)行更高溫度的測(cè)試也可以加快高性能PSC的開(kāi)發(fā)周期，從而推動(dòng)鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
Jiang, Q., Tirawat, R., Kerner, R.A. et al. Towards linking lab and field lifetimes of perovskite solar cells. Nature (2023).
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06610-7
