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

鈣鈦礦太陽能電池（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IEC 61215標準的濕熱和濕度冷凍測試。這些測試通過重復的溫度循環(huán)（-40°C至85°C）和85%的相對濕度來確定鈣鈦礦太陽能電池是否能承受戶外操作條件的影響。美能溫濕度綜合環(huán)境試驗箱用于環(huán)境模擬試驗，為了驗證評估鈣鈦礦太陽能電池的可靠性，并通過熱疲勞誘導失效模式，早期識別制造缺陷。

一種低成本的聚合物/玻璃堆封裝方案，使穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池通過了IEC61215標準中關(guān)于耐濕熱和耐凍融的要求。通過氣相色譜-質(zhì)譜法對未封裝和封裝后的鈣鈦礦電池進行了分析，檢測到在熱應力下有機鈣鈦礦混合體分解的標志性揮發(fā)性產(chǎn)物，并證實了所開發(fā)的低成本壓緊聚合物/玻璃堆封裝方案的有效性。

IEC 61215標準的濕熱和濕凍測試中的性能變化

封裝鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖

IEC 61215 三種測試的具體條件

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

濕熱測試：模擬了高溫和高濕度的環(huán)境條件，這對于評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。

濕度冷凍測試：結(jié)合了濕熱和熱循環(huán)測試，對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個濕度冷凍循環(huán)后沒有出現(xiàn)性能退化，遠超IEC標準（10個循環(huán)）的要求。

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

不同退火條件下有機鈣鈦礦前體的分解產(chǎn)物

有機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GC-MS技術(shù)成功識別了有機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-的化學性質(zhì)有關(guān)。

對于封裝的鈣鈦礦太陽能電池，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。強調(diào)了封裝技術(shù)在提高鈣鈦礦太陽能電池熱穩(wěn)定性和耐久性方面的重要性，并為進一步優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)提供了實驗依據(jù)。

封裝對鈣鈦礦太陽能電池熱穩(wěn)定性的影響

未封裝和封裝測試電池的示意圖

未封裝的鈣鈦礦太陽能電池結(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能電池在85°C下退火100小時后的分解產(chǎn)物

未封裝結(jié)構(gòu)中某些成分會出現(xiàn)分解產(chǎn)物，而封裝可以有效降低分解產(chǎn)物的強度。同時，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，通過比較不同細胞（如 CsFAMA 和 FAMA）進一步了解材料成分對熱穩(wěn)定性的影響。對于評估封裝方案的有效性以及研究鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性具有重要意義。

對于鈣鈦礦太陽能電池要實現(xiàn)商業(yè)化，必須能夠忍受長期的環(huán)境應力，包括水分、熱量和光線等因素的影響。IEC61215的這些測試作為標準的評估手段，是判斷鈣鈦礦太陽能電池是否能夠滿足商業(yè)應用要求的重要依據(jù)。

美能溫濕度綜合環(huán)境試驗箱

滿足標準:IEC61215-MQT12（濕凍試驗）、MQT13（濕熱試驗）

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

采用進口溫度控制器，實現(xiàn)多段溫度編程，精度高，可靠性好

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