西南石油大学Science：封装稳定钙钛矿太阳能电池的气相色谱-质谱分析

钙钛矿太阳能电池（PSCs）的能量转换效率在从3.8%提高到25.2%甚至更高，但它们的商业化受到不稳定性的限制。研究者们开发了一种低成本的聚合物/玻璃堆叠封装方案，使PSCs能够通过IEC 61215标准的湿热和湿度冷冻测试。这些测试通过重复的温度循环（-40°C至85°C）和85%的相对湿度来确定钙钛矿太阳能电池是否能承受户外操作条件的影响。美能温湿度综合环境试验箱用于环境模拟试验，为了验证评估钙钛矿太阳能电池的可靠性，并通过热疲劳诱导失效模式，早期识别制造缺陷。

 

 

一种低成本的聚合物/玻璃堆封装方案，使稳定的钙钛矿太阳能电池通过了IEC 61215标准中关于耐湿热和耐冻融的要求。通过气相色谱-质谱法对未封装和封装后的钙钛矿电池进行了分析，检测到在热应力下有机钙钛矿混合体分解的标志性挥发性产物，并证实了所开发的低成本压紧聚合物/玻璃堆封装方案的有效性。

IEC 61215标准的湿热和湿冻测试中的性能变化

封装钙钛矿太阳能电池的结构示意图

IEC 61215 三种测试的具体条件

封装电池的光电转换效率（PCE）随测试时间的变化，包括在湿热测试中的持续时间和在湿度冷冻测试中的循环次数。

 

湿热测试：模拟了高温和高湿度的环境条件，这对于评估电池在热带气候下的耐久性至关重要。图中显示，PIB宽毯封装的电池在湿热测试中表现出色，而边缘密封的电池性能下降较快。

 

湿度冷冻测试：结合了湿热和热循环测试，对电池的封装和材料稳定性提出了更高的要求。PIB宽毯封装的电池在75个湿度冷冻循环后没有出现性能退化，远超IEC标准（10个循环）的要求。

 

使用PIB宽毯封装的钙钛矿太阳能电池在湿热和湿度冷冻测试中表现出优异的稳定性，这对于提高钙钛矿太阳能电池的商业化前景具有重要意义。

不同退火条件下有机钙钛矿前体的分解产物

有机钙钛矿前体在不同退火条件下的分解产物

 

在不同温度条件下，通过GC-MS技术成功识别了有机钙钛矿前体的主要热分解产物，包括CH3I、CH3Br和NH3等。分解产物的类型和数量随退火温度的不同而变化，表明钙钛矿前体的热稳定性受到温度的显著影响。含有溴（Br）的前体（如MABr）相对于含有碘（I）的前体（如MAI和FAI）更不易于热分解，这可能与Br-的化学性质有关。

 

对于封装的钙钛矿太阳能电池，封装结构显著降低了分解产物的释放，表明封装可以有效抑制钙钛矿材料的热分解。强调了封装技术在提高钙钛矿太阳能电池热稳定性和耐久性方面的重要性，并为进一步优化封装结构提供了实验依据。

封装对钙钛矿太阳能电池热稳定性的影响

未封装和封装测试电池的示意图

 

未封装的钙钛矿太阳能电池结构，包括钙钛矿层、空穴传输层、电子传输层和金属电极等。采用不同封装方法的电池，例如使用聚异丁烯（PIB）或聚烯烃（PO）作为封装材料，以及可能的玻璃覆盖层。

 

未封装和封装钙钛矿太阳能电池在85°C下退火100小时后的分解产物

 

未封装结构中某些成分会出现分解产物，而封装可以有效降低分解产物的强度。同时，不同的封装方式也有一定的抑制分解产物逸出的效果。此外，通过比较不同细胞（如 CsFAMA 和 FAMA）进一步了解材料成分对热稳定性的影响。对于评估封装方案的有效性以及研究钙钛矿太阳能电池的稳定性具有重要意义。

 

对于钙钛矿太阳能电池要实现商业化，必须能够忍受长期的环境应力，包括水分、热量和光线等因素的影响。IEC61215的这些测试作为标准的评估手段，是判断钙钛矿太阳能电池是否能够满足商业应用要求的重要依据。

美能温湿度综合环境试验箱

 

满足标准:IEC61215-MQT12（湿冻试验）、MQT13（湿热试验）

• 湿热试验：85°C和85%相对湿度，持续1000小时
• 湿冻试验：温度循环从-40°C到85°C，85%相对湿度，10个循环

采用进口温度控制器，实现多段温度编程，精度高，可靠性好

不同的封装方案对钙钛矿太阳能电池在湿热和湿度冻结试验中的性能表现不同，有效的封装技术对于提高钙钛矿太阳能电池的热稳定性和耐久性至关重要。美能温湿度综合环境试验箱用于环境模拟试验，为了验证评估钙钛矿太阳能电池的可靠性，是判断钙钛矿太阳能电池是否能够满足商业应用要求的重要依据。