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浴日光能钙钛矿

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[交流] 柔性钙钛矿太阳能微型模块在潮湿高温测试超过4000小时后因水蒸气渗入而发生严重失效已有2人参与

对湿气引起降解的理解是钙钛矿太阳能电池（PSCs）长期稳定性面临的主要问题之一，这严重限制了其实际应用。在此，讨论了灵活的甲基铵铅卤化物（MAPbI3 × 3 cm²）PSCs迷你组件在水分渗入下光伏性能的降解行为。为此，模块进行了高湿热（DH）测试，持续时间长达4650小时，温度为85°C，相对湿度为85%，并通过改变封装膜的水蒸气透过率（WVTR）（从0.005到0.44 g/m²·day）系统地控制水分渗入。在DH测试过程中，太阳能电池参数的变化显示，随着DH时间的增加，功率转换效率（PCE）逐渐下降。值得注意的是，使用高WVTR（0.019–0.44 g/m²·day）的封装膜导致模块效率发生“严重失效”，在相同累积水蒸气水平下明显可见。相分解分析表明，这种严重失效主要源于水蒸气渗入封装模块后部分形成中间体MAPbI3单水合物，尤其是在高WVTR情况下。这种水合中间体加速了钙钛矿的分解并突然降低了模块的寿命。另一方面，使用WVTR为0.005 g/m²·day的适当封装膜封装的模块表现出卓越的模块稳定性，在经过2700小时的DH测试后PCE仍接近80%，且没有发生严重失效。这一发现表明，通过选择合适的封装膜可以显著提高模块的耐久性，从而延长器件寿命，并增强其在光伏工业中潜在应用的长期适用性。

近年来，基于CH₃NH₃PbX₃ 或MAPbX₃（其中 X 为 Cl、Br 或 I）的有机-无机混合钙钛矿太阳能电池（PSCs）在光伏（PV）技术方面取得了显著进展。在短短几年内，这些 PSCs 的单结太阳能电池的光电转换效率（PCE）已从 3.9% 提升至 27.3%。其在能带可调性、高吸收系数和高载流子迁移率方面的多功能性，使其在未来光伏应用中具有吸引力。目前，PSCs的潜在优势已经引起了各个商业领域的关注。然而，PSCs的稳定性仍然是实际应用的主要关注点。

众所周知，PSCs对环境因素如紫外线照射、高温和湿度高度敏感，这些因素显著加速器件的劣化，从而缩短其寿命。在这些因素中，由于钙钛矿层本身的固有不稳定性，湿度对组件效率的影响尤为严重。大量研究对器件劣化的原因及其机制进行了详细探讨，以解决稳定性问题。一般而言，湿度会显著导致功率输出和短路电流（ISC）下降，这是由于钙钛矿层分解为PbI₂ 和甲基铵卤化物作为最终产物。在存在湿度的情况下,与电子传输层（ETL）相邻的钙钛矿层比与空穴传输层（HTL）相邻的钙钛矿层快速降解，这是由于空穴载流子浓度过高而非电子浓度过高。高湿度和高温暴露会导致严重的填充因子（FF）损失，并通过形成分离的平面 PbI2出现典型的 S 形 I-V 曲线。此外，在采用氧化镍作为空穴传输层（HTL）的 PSCs中，也发现了 S 形的 I-V 特性，这是由于在潮湿热应力测试中NiOx/钙钛矿界面处的能带错位。利用甲脒 (FA) 和/或铯 (Cs) 基钙钛矿等新兴材料在 PSCs稳定性方面的进展已被广泛研究。然而，在本研究中，作者选择了甲基铵碘化铅 (MAPbI3) 作为活性材料，该材料具有较高的光电转换效率（PCE）和被充分理解的性质，使其成为对比研究的有效起点。团队的先前研究广泛研究了湿度对基于 MAPbI3的 PSCs微型组件在 85°C 和 85% 相对湿度（RH）潮湿热（DH）条件下寿命的影响，并与 70–105°C 的热加速测试进行比较。在湿润条件下，钙钛矿活性层的降解成为主导失效模式，这是由于 PbI2的形成，而空穴传输层（HTL，即spiro-OMeTAD）的降解则发生在热条件下。在本文中，对 MAPbI3模块在相同 DH 条件下的效率下降及其降解机制进行了更深入的理解。通过改变封装膜的水蒸气透过率（WVTR）并使用小间隔来观察其寿命期间的细微降解，系统地研究了估算水渗透对电性能和相稳定性的影响。此外，水分渗透导致模块效率损失及中间相形成的作用已被广泛讨论。这些研究结果提供了对室内和室外测试中柔性 PSCs湿度相关降解路径的全面理解。

总之，作者研究了柔性钙钛矿太阳能电池(PSCs)组件在85℃/85%相对湿度(DH)条件下老化过程中光伏(PV)参数的变化。通过将封装膜的水蒸气透过率(WVTR)从0.005到0.44 g/m²/day进行变化，探讨了水分渗入的影响。在DH实验期间，器件的光电转换效率(PCE)和填充因子(FF)逐渐变化，而短路电流(ISC)和开路电压(VOC)变化不明显。随着WVTR的增加，组件的降解速度加快。令人惊讶的是，在WVTR分别为0.019、0.07和0.44 g/m²/day的高透水组件中，明显出现了效率的严重失效。此外，不同WVTR的组件在测试过程中累积水蒸气约≈1 g/m²时，PCE的损失大致相同。从材料颜色和晶体结构的变化可以看出，PCE的下降主要是由于MAPbI3一水合物相的生成。暴露于渗入组件的水蒸气中，MAPbI3容易转化为MAPbI3⋅H2O，导致由于一水合物相带隙较宽，PCE急剧下降。另一方面，使用WVTR为0.005 g/m²·day的适当封装膜封装的模块表现出卓越的模块稳定性，在经过2700小时的DH测试后PCE仍接近80%，且没有发生严重失效。这一发现表明，通过选择合适的封装膜可以显著提高模块的耐久性，从而延长器件寿命，并增强其在光伏工业中潜在应用的长期适用性。

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