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宽带隙钙钛矿叠层电池热循环稳定性研究
日期:2026-08-07浏览量:10
宽带隙钙钛矿太阳能电池(WBG PSCs)是叠层电池的关键组成部分,但其在户外实际运行中面临昼夜温度剧烈波动带来的稳定性挑战。现有国际标准热循环速率偏低,难以模拟真实加速老化场景。美能大平台钙钛矿电池PL测试仪通过无接触式测试,监测各个工艺段中的异常,了解单节叠层钙钛矿电池的缺陷分布信息。
本研究将升降温速率设为10 °C/min,系统考察了带隙1.68 eV的WBG PSCs(冠军效率24.31%)在快速太阳热循环下的工作稳定性,并延伸至钙钛矿/硅叠层电池。发现所有器件的衰减均分为初期烧入阶段(贡献60%相对损失)和后续稳态阶段,该行为与钝化策略无关。通过操作态掠入射广角X射线散射和光致发光原位追踪,揭示温度诱导的晶格应变、可逆相变和非辐射复合增强是主要衰减机制。叠层电池因硅底电池散热优势,在200分钟热循环后仍保持94%初始效率。研究为提升钙钛矿光伏在实际热循环环境下的耐久性提供了直接依据。
实验方法
单结器件采用ITO/NiOₓ/Me-4PACz自组装单层/钙钛矿(Cs₀.₀₅MA₀.₁FA₀.₈₅PbI₀.₇₇Br₀.₂₃)/钝化层/C₆₀/BCP/Ag结构。钝化方案分三种:无钝化(Control)、EDAI单钝化、EDAI+3-F-PEAI双重钝化(DP)。钙钛矿层通过反溶剂法旋涂制备,退火温度100 °C。叠层器件在硅底电池上依次沉积NiOₓ、SAM、钙钛矿、C₆₀,并增加ALD-SiO₂缓冲层和IZO透明电极及Ag栅极。热循环实验在自建Peltier控温样品台上进行,循环温度5–80 °C,每个循环15分钟。操作态GIWAXS在PETRA III同步辐射P03线站完成(入射角0.6°,曝光1秒/帧),同时利用450 nm激光激发原位PL,并同步记录J-V特性。
光伏性能与温度系数
a)器件结构示意图,标注主要功能层。b)在AM 1.5 G光照下各类型冠军器件的J-V曲线。c)相应冠军器件的EQE谱,以及EDAI和3-F-PEAI双重钝化冠军器件的总吸光度(1-R)。d)EDAI和3-F-PEAI双重钝化冠军器件的准稳态测量结果。e)PCE随温度的变化关系
钝化未改变钙钛矿带隙和光吸收,但FTIR确认了3-F-PEA的掺入,AFM显示钝化后粗糙度降低。原位PL表明钝化薄膜在光照下峰位稳定,抑制了光致相分离。单结冠军器件:Control效率20.38%,DP效率24.31%(V_OC达1.29 V,FF 84.36%),EQE积分电流与J-V偏差小于5%。静态变温(5–85 °C)测得的温度系数在高温区(25–80 °C)DP为-0.88 %K⁻¹,Control为-0.28 %K⁻¹,DP低温区(5–25 °C)为-0.13 %K⁻¹,优于Control(-0.26 %K⁻¹)。钝化虽提升效率,却在高温区加速衰减,可能源于二维/三维异质结中阳离子渗透,说明现有钝化策略并非热稳定性的万能解。
快速热循环下的衰减行为
a)操作态GIWAXS测量在快速太阳热循环条件下进行时的示意图。b–e)归一化光伏参数(PCE、JSC、VOC、FF)随时间和温度的变化。J-V测量在每圈循环的特定时刻进行
在10 °C/min循环条件下,DP器件1小时后PCE降至初始42%(JSC下降9%,VOC下降22%,FF下降41%);Control降至51%(JSC下降12%,VOC下降15%,FF下降32%)。通过对比实测PCE与基于静态温度系数模拟的PCE,将衰减拆分为烧入阶段(首循环内,贡献>60%总损失)和稳态阶段(后续循环中参数随温度周期性波动)。VOC和FF受损最重。延长至300分钟,Control保留34%,DP保留46%,DP的磁滞指数经快速下降后稳定在11.3%,Control则持续变化。快速烧入阶段的主要诱因并非离子迁移(快速hysteresis测量显示离子损失贡献恒定约-10%),而是界面非辐射复合中心的急剧增多。
结构和相演变
a)Control钙钛矿薄膜在热循环过程中的原位PL随时间的演变。b)DP钙钛矿薄膜的原位PL演变。c)从原位PL提取的峰位随温度和时间的变化。d)根据峰位偏移计算得到的缺陷密度(Nd)随温度的变化
原位PL显示首循环内峰位偏移很小,带隙变化约6–8 meV,未发生显著相分离。缺陷密度在80 °C最高(Control 2.47×10¹⁷ cm⁻³,DP 2.35×10¹⁷ cm⁻³),低温下DP缺陷密度更低。
a)操作态GIWAXS的时间依赖图。b)放大时间分辨的GIWAXS图。c)在0分钟时选取的重构二维GIWAXS数据。d)在12分钟时选取的二维数据,显示新峰的形成。e)应变随时间的演变,与温度曲线(灰色)对比。f)示意图总结温度诱导应变、相变及非辐射复合共同导致器件性能衰减的机制
操作态GIWAXS表明,所有器件均未出现PbI₂析出,钙钛矿衍射峰随温度可逆移动(热胀冷缩),并伴随立方相与四方相的可逆转变。DP器件中四方相强度较弱,对应其JSC更稳定。应变计算显示DP器件的应变范围为压缩0.19%至拉伸0.18%,较为对称;Control为压缩0.27%至拉伸0.25%,非对称性更大,导致其FF波动剧烈。温度诱导的周期性应变和相变,加之非辐射复合累积,共同导致性能衰退。
叠层电池表现
a)从反向扫描获取的温度依赖J-V曲线。b)PCE随温度的变化,图中列出计算得到的温度系数。c)在太阳热循环条件下归一化PCE随时间的演变
基于DP钝化的钙钛矿/硅叠层电池室温效率28.64%(VOC 1.908 V,JSC 19.8 mA/cm²,FF 75.82%)。静态温度系数:γHT=-0.60 %K⁻¹,γLT=-0.08 %K⁻¹,低温稳定性优于单结。在220分钟快速热循环中,叠层电池效率保留94%,烧入损失显著小于单结。这归因于硅底电池高热导率促进散热,叠层结构降低热化损失,以及电流匹配和形貌差异等因素综合作用。
本工作明确了WBG PSCs在快速太阳热循环下的两阶段衰减规律,指出烧入阶段(60%性能损失)主要由界面非辐射复合恶化引起,而非离子迁移或带隙变化;晶格应变与可逆相变则是稳态阶段参数波动的根源。现有钝化策略虽提升初始效率,但未能有效遏制热循环下的烧入损失。叠层电池因其热管理优势表现出更强抗性。提升界面力学鲁棒性和抑制烧入阶段的初始损伤,是未来设计热稳定钙钛矿光伏器件的关键方向。
联系电话:400 008 6690
大平台钙钛矿电池PL测试仪通过非接触、高精度、实时反馈等特性,系统性解决了太阳能电池生产中的速度、良率、成本、工艺优化与稳定性等核心痛点,并且结合AI深度学习,实现全自动缺陷识别与工艺反馈。
▶ PL高精度成像:采用线扫激光,成像精度<75um/pix(成像精度可定制)
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美能大平台钙钛矿电池PL测试仪采用无接触式测试方式,可实时监测钙钛矿电池各工艺段中的薄膜质量异常,精准定位单结及叠层电池中的缺陷分布。
原文参考:Insights into the operational stability of wide-bandgap perovskite and tandem solar cells under rapid thermal cycling
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