钙钛矿电池的季节性效应：MPPT揭示衰减机制与稳定性优化

 

钙钛矿太阳能电池（PSCs）在标准测试条件（STC）下的功率转换效率（PCE）已提升至 26.95%，目前研究重点正从提高效率转向规模化和稳定性提升。本文通过柏林四年的户外数据，揭示了钙钛矿太阳能电池（PSCs）显著的季节性性能波动：夏季性能稳定但冬季大幅下降（最高达30%），主要归因于光谱变化、温度系数、MPPT损失及亚稳态效应等多重因素的综合作用。钙钛矿最大功率点追踪测试 MPPT可以实现气候特征化测试，以精准量化亚稳态动力学影响。

实验设计

 

在柏林（温带低辐照气候区）：
 

p-i-n 钙钛矿电池结构：ITO | 2PACz | Cs₀.₁₅ FA₀.₈₅ PbI₂.₅₅ Br₀.₄₅ | C₆₀ | SnO₂ | Cu ， 带隙 1.65 eV 。
 

进行 4年户外暴露实验。数据采集系统每 5 分钟记录一次光谱、温度和辐照数据，每日计算平均功率转换效率（PCE），并定期在室内标准测试条件下（STC）对电池进行复检。

户外结果总览

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钙钛矿电池4年户外PCE、温度、辐照度变化趋势

PCE夏季峰值：第 1–2 年无衰减；第 4 年累计下降 ≈2%。

冬季低谷：首年已低 30%，四年累计冬-冬下降 ≈40%。

室内 STC 数据：4 年线性衰减 6%/年，但受季节因素影响，户外夏-夏仅 3%/年，冬-冬达 9%/年。

季节性影响因素

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光谱变化

（A) 不同辐照-温度下的IMPP/ISC比值（B) 标准化夏（蓝）/冬（红）光谱（C) 基于EQE与光谱数据计算的短路电流 vs 户外实测IMPP（D) 图C各数据点的APE值分布

光谱条件是影响 PSC 性能的关键因素之一。户外光谱会因季节和大气条件而变化，而 PSC 的光谱响应范围较窄（约 300–800 nm），因此对光谱变化更为敏感。本文通过计算平均光子能量（APE）来量化光谱的蓝光富集和红光富集程度。结果显示，夏季光谱蓝光富集，冬季光谱红光富集，导致相同辐照下 PSC 的电流差异可达约 10%。

温度系数

（A) 图1中4年老化电池在不同温度下的性能；（B) 同结构小尺寸电池（0.16 cm²）初始与老化后对比

PSC 的温度系数（γ）通常为负值，表明其性能会随温度升高而下降。然而，随着电池老化，填充因子（FF）的温度系数变为正值，导致老化后的 PSC 在夏季高温条件下反而表现更好。这一现象与传统光伏技术（如硅基太阳能电池）形成鲜明对比。

J-V 回滞与MPPT 追踪损失

（A) 4年老化电池正向/反向扫描J-V曲线（5/25/55°C）；（B) 室内MPPT跟踪功率/电压稳定性；（C) 户外VMPP波动

J-V 回滞是 PSC 的常见现象，会影响最大功率点MPPT的准确性。实验表明，老化和低温条件下 J-V 回滞显著增加，导致 MPPT 追踪质量下降。在 5 °C 时，MPPT 追踪电压波动超过 35%，导致能量损失显著。这一效应在冬季尤为突出，降低了 PSC 的能量产出。

钙钛矿亚稳态效应

A-C) 4年老化电池室内光浸泡/暗存储实验（D) 户外日均VMPP变化

光浸泡效应（LSE）导致的亚稳态是钙钛矿区别于传统光伏的核心因素。实验发现，新电池在数分钟内即可达到光饱和状态，但老化后的电池需要连续光照 72 小时以上才能达到饱和。此外，温度对 LSE 的影响也十分显著。冬季低温和低光照条件下，LSE 未饱和，导致电压增益不足，性能下降。这一效应是 PSC 季节性表现的主要因素。

钙钛矿太阳能电池的季节性变化幅度受气候和器件特性的影响。与柏林相比，靠近赤道的地区光谱变化较小，因此光谱引起的电流差异也会减小。此外，高温地区的低温损失可能会减少。然而，老化和低温下的 MPPT损失可能会在更温暖的气候中加剧。亚稳态是 PSC 季节性表现的主要因素，尤其是在冬季低温和低光照条件下，LSE 未饱和导致性能下降。

钙钛矿最大功率点追踪测试 MPPT

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钙钛矿最大功率点追踪测试 MPPT采用A+AA+级LED太阳光模拟器作为老化光源，以其先进的技术和多功能设计，为钙钛矿太阳能电池的研究提供了强有力的支持。

• 光源等级：A+AA+，光谱匹配度A+级，均匀性A级，长时间稳定性A+级
• 有效光斑大小: ≥250*250mm（可定制）
• 光强可调节: 0.2-1.5sun，以0.1sun为步进可依次调节
• 功率独立可控：300-400 nm/400-750 nm/750-1200 nm 

钙钛矿最大功率点追踪测试 MPPT可以评估和量化钙钛矿太阳能电池在不同温度和光照条件下的能量输出效率，以及追踪其在户外实际运行中的最大功率点，从而揭示季节性变化对电池性能的影响。

原文参考：Seasonality in Perovskite Solar Cells: Insights from 4 Years of Outdoor Data