户外测试确定了导致钙钛矿太阳能电池退化的因素

 

钙钛矿太阳能电池因其优异的光电性能和溶液加工潜力成为光伏领域的研究热点，但其商业化进程受限于电池在真实环境下的稳定性问题。目前，加速老化测试与户外实际性能之间的关联尚不明确，且缺乏跨气候区的系统性对比数据。美能温湿度综合环境试验箱专为验证评估组件或材料的可靠性，能达到快速升温降温，提升测试效率，满足IEC 61215等标准。

本研究开发了基于聚异丁烯的边缘密封封装技术，并创新性地采用四电池集成架构以减小批次差异。通过对比电池在加速测试（光浸泡、湿热）与两种典型气候带（地中海气候的马德里、大陆性气候的格但斯克）户外老化中的表现，结合 suns-JV 分析失效模式，旨在为跨气候区性能关联及综合测试协议制定奠定基础，推动电池商业化。

实验方法

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基础结构与衬底处理

电池采用倒置 p-i-n 结构，以玻璃/ITO/PTAA/钙钛矿/PCBM/BCP/Ag架构，通过优化旋涂工艺制备活性层（Cs₀.₁₅FA₀.₇₇MA₀.₀₇₈Pb(I₀.₉₅Br₀.₀₅)₃）。创新性开发四像素并联封装方案，采用135℃热压PIB密封工艺。

衬底先切割为 20×15mm 小片，用浓盐酸（2M）和锌粉蚀刻无效区域（防止短路），再依次在 2% 肥皂水、丙酮、异丙醇中超声清洗（分别为 10 分钟、30 分钟、30 分钟）。薄膜沉积前，衬底经 20 分钟紫外处理后，转移至氧气、水分、挥发性有机化合物含量均低于 1ppm 的充氮手套箱。

各功能层制备

空穴传输层（HTL）：将 2mg/mL 的 PTAA 甲苯溶液以 5000 转 / 分钟旋涂 35 秒，100℃退火 10 分钟；

钙钛矿层：前驱体溶液（1.3M，通式 Cs₀.₁₅FA₀.₇₇MA₀.₀₇₆Pb (I₀.₉₅Br₀.₀₅)₃）按 “500 转 / 分钟（4 秒）→2000 转 / 分钟（6 秒）→5000 转 / 分钟（30 秒）” 旋涂，旋涂 15 秒时滴加 200μL 氯苯作为反溶剂，随后 100℃退火 20 分钟；

电子传输层（ETL）与缓冲层：20mg/mL 的 PCBM 氯苯溶液以 1000 转 / 分钟旋涂 60 秒形成 ETL，1mg/mL 的 BCP 乙醇溶液以 3000 转 / 分钟旋涂 30 秒形成缓冲层；

顶电极：高真空（5×10⁻⁶毫巴）下，通过掩膜板（面积 0.09cm²）热蒸发 100nm 厚的银电极。

封装工艺

封装电池正面（A）和俯视图（B）的照片

封装流程分七步进行：

制备 6×10cm、3mm 厚的玻璃衬底，将电池活性区域朝上放置；

在接触焊盘涂抹银浆，用聚酰亚胺（Kapton）胶带固定电池；

贴上与 6×6cm 盖玻片匹配的单层 PIB 框架，放置 0.2mm 直径的非绝缘银线于接触焊盘；

银线上放置铟扁平焊盘，再次用 Kapton 胶带固定；

涂抹三层 PIB，盖上第二块 6×6cm 盖玻片；

惰性环境下，135℃加热板上手动压制 5 分钟；

粘贴铜汇流条，将银线焊接至汇流条。

表征与测试方法

电性能：JV、EQE、suns-JV

加速测试：85℃/85%RH湿热老化、MPP光浸泡

户外监测：双气候带ISOS-O-2协议（马德里太阳跟踪/OC模式，格但斯克固定倾角/MPP模式）

光致降解机理

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在修正版 ISOS-L-1 协议下，采用LED照明并施加最大功率点（MPP）负载的光浸泡条件下，光伏参数的演变趋势

1000小时光浸泡测试显示：

Jsc从23.5 mA/cm²降至16 mA/cm²，成为PCE衰减主因；

Voc保持1.08-1.11V稳定，FF从64.5 %降至51 %；

suns-JV揭示老化后理想因子降至1 kT/q以下，提示界面提取受限；

XRD发现11.7°新衍射峰（水合相），PL谱无位移证实带隙稳定。

气候适应性差异

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在两种气候区、不同工作及测量条件下的户外测试（ISOS-O-2）结果

173天户外监测发现：

马德里OC工况：热应力高、辐照强、湿度低，电池OC状态 + 太阳跟踪器，每 10 分钟测量。2 月初至 4 月末（84 天）功率输出最高，此后持续下降至完全失效；

格但斯克MPP工况：高湿度、温度波动大，电池MPP 状态 + 固定倾角，每 60 分钟测量。经历初始老化后，功率稳定在 1.5mW，全程无降解。

对照实验证实OC工况引发更严重Voc衰减（0.15V）和FF损失（12%）

负载应力影响

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格但斯克额外电池在不同负载条件下的户外ISOS-O-2测试结果

48天多负载对比显示降解速率：OC > MPP > SC
 

suns-JV分析表明：

SC工况：仅高光强PCE轻微下降

MPP工况：低光强FF衰减（分流形成）

OC工况：全光照范围FF退化（体复合+界面失效）

实验结论

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本研究通过四电池封装技术、加速测试与户外对比，得出三大核心结论：

封装与降解模式：研发的 PIB 四电池封装方法具备高环境适应性，但电池在光照下存在 “钙钛矿层降解、体相缺陷形成、界面损失” 三类降解模式，需针对性优化；

气候与负载的关键作用：户外性能受气候区和负载条件共同影响 —— 格但斯克（Dfb 气候、MPP）电池稳定，马德里（Csa 气候、OC）电池完全降解；OC 状态降解最严重，MPP 次之，SC 最轻，且气候（温度）对稳定性的影响远超太阳跟踪器、测量频率等因素；

测试方法的重要性：即使户外功率无下降，suns-JV 仍能捕捉到分流等潜在问题，且加速测试与户外性能的关联需统一测量标准（如负载、光照源），为后续行业标准制定提供依据。

本研究建立的跨气候关联分析方法，为制定普适性加速测试标准提供了理论依据。后续需扩大样本量开展多季节循环验证，并探索封装-电极界面的协同退化机制。

美能温湿度综合环境试验箱

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美能温湿度综合环境试验箱采用进口温度控制器，能够实现多段温度编程，具有高精确度和良好的可靠性，满足不同气候条件下的测试需求。

温度范围：20℃~+130℃

温湿度范围：10%RH~98%RH(at+20℃-+85℃）

满足试验标准：IEC61215、IEC61730、UL1703等检测标准

美能温湿度综合环境试验箱通过精确控制紫外辐照剂量与85°C/85%RH的湿热环境，成功复现了户外光伏组件的严重功率衰减，揭示了紫外与湿热应力的协同放大效应，证实紫外预处理会急剧加剧后续湿热对栅线接口的腐蚀，为制定更精准预测组件长期可靠性的测试标准提供了关键依据。

 

 

原文参考：Degradation of perovskite solar cells: Insights from accelerated testing versus outdoor aging in two climate zones