钙钛矿太阳能电池中的潜在诱导降解（PID）分析

尽管钙钛矿太阳能电池性能取得了很大进展，但对其潜在诱导降解(PID)仍未得到充分研究。通过对钙钛矿太阳能电池进行60℃环境模拟，施加1000 V偏置电压1天，发现光电转换效率损失50%，这是由于钙钛矿元素的扩散导致电池结构发生破坏从而引发潜在诱导降解。「美能光伏」潜在电势诱导衰减测试仪（PID）通过测试钙钛矿电池组件长期在恶劣环境下发生PID衰减后来评估组件的电性能是否符合要求。

 

PID测试后对钙钛矿电池PCE的研究分析

目前有研究表明，对钙钛矿太阳能电池进行IEC61215：2021标准中的MQT21PID测试后，其光电转换效率损失约50%。这是由于一些包括Br、I、Pb和Cs等元素在测试后扩散到其他层，钙钛矿电池结构被破坏，导致其光学和电学降解，这一问题引起了光伏厂商的关注。使用封装后的钙钛矿太阳能电池，其初始光电转换效率（PCE）介于21.8%至26.6%之间。通过以下特定的测试步骤，以评估PID效应及其恢复方法。

钙钛矿结构、PID测试装置下元素扩散示意图

 

测试步骤和具体细节见下图表：

具体测试步骤:

 

 

对照组：在氮气柜中，<35%RH

 

 

p-PID：+1,000 V偏置，在60°C、<20%RH的试验箱中。

 

 

n-PID：-1,000 V偏置，在60°C、<20%RH的试验箱中。

 

 

退火：在60°C、<20%RH的试验箱中退火，无电压偏置。

 

 

光浸：太阳强度透光，在22℃室温的开路环境下，无电压偏置。

多维度电学性能参数分析

对照组：控制样品（无偏压）在同一温度下保留了84%的初始PCE。

p-PID：+1000V偏压，60°C条件下22小时，对叠层模块未造成PID效应。

 

 

n-PID：-1000V偏压，60°C条件下22小时，PCE急剧下降到初始值的53%。

归一化后的IV参数趋势

 

参数PCE、短路电流密度(Jsd)、开路电压(Vod)、FF的变化趋势归一化至初始状态。上图我们可以看到，该样品显示的变化与仅退火的样品相似，这表明+1,000V偏置不会导致串联模块中的PID。

 

 

从图A中，钙钛矿电池在n-PID测试下，PCE的变化趋势。相比之下，相同温度下保持无电压偏置的样品降解速度要慢得多，保留了约84%的初始PE。

 

 

将样品分为两组，以测试是否可以通过随后的测试步骤(p-PID或光浸泡)恢复PID。经过p-PID处理的样品(4和5)的恢复速度比对照组快，在前11小时内，它们的pce从~52%增加到>65%。但在延长p-PID期间，它们的PCE下降，降解速率与退火后的对照样品相似。这表明n-PID效应可以通过p-PID测试部分恢复。然而，在退火环境下的p-PID测试可能同时导致热降解。在第二组中，我们发现光浸泡不能恢复所研究模块的n-PID效应。相反，它会导致进一步的降解。

 

 

从图C、E、G可以看出，PID对PCE的影响主要是由FF降解引起的，特别是在n-PID测试的前11小时，随后是Voc和Jsc的损失。图B、D、F、H所示的弱光(0.1个太阳)IV性能的趋势与1个太阳条件下的趋势相似，受n-PID影响的样品在0.1个太阳下的PCE退化高于1个太阳。由于IV性能在低光强下比在高光强下对分流电阻更敏感,这种差异表明n-PID诱导分流。

不同样品中串联电阻和并联电阻相关斜率分析

由于FF的变化对PCE变化的贡献最大，有必要分析其主要成分,如串联模块的串联电阻Rs和并联电阻Rsh。 

不同样品中Rs和Rsh相关斜率的定性分析

 

当串联电阻Rs增加时，会导致IV曲线在短路电流（Jsc）附近变得更加平缓，PID测试后IV曲线的Jsc附近斜率减小，可以推断Rs有所增加。n-PID测试通过引入缺陷或增加界面电阻来影响串联电阻。

 

 

当Rsh减小时，漏电通道变得更加显著，导致电流在较低的电压下就能通过这些通道流动，从而降低FF。PID测试后IV曲线的变化更为敏感，由于Rsh减小而引起的性能退化。

EL和PL

EL和PL图像

我们在每个测试步骤后测量了样品的EL和PL图像，结果显示钙钛矿初始EL信号比PID测试后的EL信号高1-2个数量级，高于硅亚电池的EL信号，这表明PID可以引起的非辐射复合以降低钙钛矿的EL。

基于钙钛矿电池中潜在的PID机制，一种改善策略是使用无封装的组件结构，电池被惰性气氛包围与玻璃没有直接接触，因此潜在偏压几乎完全落在玻璃和惰性气氛之间的界面上，在PID测试中引起模块退化的离子迁移被惰性气氛所阻止。然而封装剂可以提供机械支撑、光学耦合、电器隔离和环境保护，所以研究有封装剂的模块结构中的PID效应也很重要，对于使用封装剂的模块，未来一个潜在的研究方向是引入一种阻隔材料。

 

 

综上所述，引入屏障或结构以防止元素从钙钛矿层中扩散出来，是减轻PID效应的一种策略。此外，进一步研究PID效应的机制，并开发新的封装材料和工艺，以提高钙钛矿组件的PID抵抗能力。

「美能光伏」潜在电势诱导衰减测试仪

 

 

 

美能潜在电势诱导衰减测试仪ME-PV-PID 通过模拟钙钛矿太阳能电池长期在恶劣环境（高温，高湿，高盐碱的沿海地区）下发生PID衰减后来评估组件的电性能是否能符合要求。根据IEC61215：2021标准研发的光伏组件PID测试系统。

评估光伏组件承受系统偏压的能力

 

 

测试光伏组件承受系统电压、温度、湿度等各种应力的能力

 

 

• 正反向切换直流电源：电压范围（-2500~2500V）

 

对钙钛矿PID测试中观察到钙钛矿电池由于元素的扩散而发生降解，「美能光伏」潜在电势诱导衰减测试仪PID通过模拟钙钛矿太阳能电池长期在恶劣环境（高温，高湿，高盐碱的沿海地区）下发生PID衰减后来评估组件的电性能是否能符合要求。