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浴日光能鈣鈦礦
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[交流]
柔性鈣鈦礦太陽能微型模塊在潮濕高溫測試超過4000小時后因水蒸氣滲入而發(fā)生嚴重失效 已有2人參與
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對濕氣引起降解的理解是鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）長期穩(wěn)定性面臨的主要問題之一，這嚴重限制了其實際應(yīng)用。在此，討論了靈活的甲基銨鉛鹵化物（MAPbI3 × 3 cm²）PSCs迷你組件在水分滲入下光伏性能的降解行為。為此，模塊進行了高濕熱（DH）測試，持續(xù)時間長達4650小時，溫度為85°C，相對濕度為85%，并通過改變封裝膜的水蒸氣透過率（WVTR）（從0.005到0.44 g/m²·day）系統(tǒng)地控制水分滲入。在DH測試過程中，太陽能電池參數(shù)的變化顯示，隨著DH時間的增加，功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）逐漸下降。值得注意的是，使用高WVTR（0.019–0.44 g/m²·day）的封裝膜導(dǎo)致模塊效率發(fā)生“嚴重失效”，在相同累積水蒸氣水平下明顯可見。相分解分析表明，這種嚴重失效主要源于水蒸氣滲入封裝模塊后部分形成中間體MAPbI3單水合物，尤其是在高WVTR情況下。這種水合中間體加速了鈣鈦礦的分解并突然降低了模塊的壽命。另一方面，使用WVTR為0.005 g/m²·day的適當封裝膜封裝的模塊表現(xiàn)出卓越的模塊穩(wěn)定性，在經(jīng)過2700小時的DH測試后PCE仍接近80%，且沒有發(fā)生嚴重失效。這一發(fā)現(xiàn)表明，通過選擇合適的封裝膜可以顯著提高模塊的耐久性，從而延長器件壽命，并增強其在光伏工業(yè)中潛在應(yīng)用的長期適用性。 近年來，基于CH₃NH₃PbX₃ 或MAPbX₃（其中 X 為 Cl、Br 或 I）的有機-無機混合鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）在光伏（PV）技術(shù)方面取得了顯著進展。在短短幾年內(nèi)，這些 PSCs 的單結(jié)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）已從 3.9% 提升至 27.3%。其在能帶可調(diào)性、高吸收系數(shù)和高載流子遷移率方面的多功能性，使其在未來光伏應(yīng)用中具有吸引力。目前，PSCs的潛在優(yōu)勢已經(jīng)引起了各個商業(yè)領(lǐng)域的關(guān)注。然而，PSCs的穩(wěn)定性仍然是實際應(yīng)用的主要關(guān)注點。 眾所周知，PSCs對環(huán)境因素如紫外線照射、高溫和濕度高度敏感，這些因素顯著加速器件的劣化，從而縮短其壽命。在這些因素中，由于鈣鈦礦層本身的固有不穩(wěn)定性，濕度對組件效率的影響尤為嚴重。大量研究對器件劣化的原因及其機制進行了詳細探討，以解決穩(wěn)定性問題。一般而言，濕度會顯著導(dǎo)致功率輸出和短路電流（ISC）下降，這是由于鈣鈦礦層分解為PbI₂ 和甲基銨鹵化物作為最終產(chǎn)物。在存在濕度的情況下,與電子傳輸層（ETL）相鄰的鈣鈦礦層比與空穴傳輸層（HTL）相鄰的鈣鈦礦層快速降解，這是由于空穴載流子濃度過高而非電子濃度過高。高濕度和高溫暴露會導(dǎo)致嚴重的填充因子（FF）損失，并通過形成分離的平面 PbI2出現(xiàn)典型的 S 形 I-V 曲線。此外，在采用氧化鎳作為空穴傳輸層（HTL）的 PSCs中，也發(fā)現(xiàn)了 S 形的 I-V 特性，這是由于在潮濕熱應(yīng)力測試中NiOx/鈣鈦礦界面處的能帶錯位。利用甲脒 (FA) 和/或銫 (Cs) 基鈣鈦礦等新興材料在 PSCs穩(wěn)定性方面的進展已被廣泛研究。然而，在本研究中，作者選擇了甲基銨碘化鉛 (MAPbI3) 作為活性材料，該材料具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）和被充分理解的性質(zhì)，使其成為對比研究的有效起點。團隊的先前研究廣泛研究了濕度對基于 MAPbI3的 PSCs微型組件在 85°C 和 85% 相對濕度（RH）潮濕熱（DH）條件下壽命的影響，并與 70–105°C 的熱加速測試進行比較。在濕潤條件下，鈣鈦礦活性層的降解成為主導(dǎo)失效模式，這是由于 PbI2的形成，而空穴傳輸層（HTL，即spiro-OMeTAD）的降解則發(fā)生在熱條件下。在本文中，對 MAPbI3模塊在相同 DH 條件下的效率下降及其降解機制進行了更深入的理解。通過改變封裝膜的水蒸氣透過率（WVTR）并使用小間隔來觀察其壽命期間的細微降解，系統(tǒng)地研究了估算水滲透對電性能和相穩(wěn)定性的影響。此外，水分滲透導(dǎo)致模塊效率損失及中間相形成的作用已被廣泛討論。這些研究結(jié)果提供了對室內(nèi)和室外測試中柔性 PSCs濕度相關(guān)降解路徑的全面理解。 總之，作者研究了柔性鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)組件在85℃/85%相對濕度(DH)條件下老化過程中光伏(PV)參數(shù)的變化。通過將封裝膜的水蒸氣透過率(WVTR)從0.005到0.44 g/m²/day進行變化，探討了水分滲入的影響。在DH實驗期間，器件的光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)和填充因子(FF)逐漸變化，而短路電流(ISC)和開路電壓(VOC)變化不明顯。隨著WVTR的增加，組件的降解速度加快。令人驚訝的是，在WVTR分別為0.019、0.07和0.44 g/m²/day的高透水組件中，明顯出現(xiàn)了效率的嚴重失效。此外，不同WVTR的組件在測試過程中累積水蒸氣約≈1 g/m²時，PCE的損失大致相同。從材料顏色和晶體結(jié)構(gòu)的變化可以看出，PCE的下降主要是由于MAPbI3一水合物相的生成。暴露于滲入組件的水蒸氣中，MAPbI3容易轉(zhuǎn)化為MAPbI3⋅H2O，導(dǎo)致由于一水合物相帶隙較寬，PCE急劇下降。另一方面，使用WVTR為0.005 g/m²·day的適當封裝膜封裝的模塊表現(xiàn)出卓越的模塊穩(wěn)定性，在經(jīng)過2700小時的DH測試后PCE仍接近80%，且沒有發(fā)生嚴重失效。這一發(fā)現(xiàn)表明，通過選擇合適的封裝膜可以顯著提高模塊的耐久性，從而延長器件壽命，并增強其在光伏工業(yè)中潛在應(yīng)用的長期適用性。 |
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