鈣鈦礦太陽(yáng)能電池因其優(yōu)異的光電性能和溶液加工潛力成為光伏領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但其商業(yè)化進(jìn)程受限于電池在真實(shí)環(huán)境下的穩(wěn)定性問(wèn)題。目前，加速老化測(cè)試與戶外實(shí)際性能之間的關(guān)聯(lián)尚不明確，且缺乏跨氣候區(qū)的系統(tǒng)性對(duì)比數(shù)據(jù)。美能溫濕度綜合環(huán)境試驗(yàn)箱專為驗(yàn)證評(píng)估組件或材料的可靠性，能達(dá)到快速升溫降溫，提升測(cè)試效率，滿足IEC 61215等標(biāo)準(zhǔn)。

本研究開發(fā)了基于聚異丁烯的邊緣密封封裝技術(shù)，并創(chuàng)新性地采用四電池集成架構(gòu)以減小批次差異。通過(guò)對(duì)比電池在加速測(cè)試（光浸泡、濕熱）與兩種典型氣候帶（地中海氣候的馬德里、大陸性氣候的格但斯克）戶外老化中的表現(xiàn)，結(jié)合 suns-JV 分析失效模式，旨在為跨氣候區(qū)性能關(guān)聯(lián)及綜合測(cè)試協(xié)議制定奠定基礎(chǔ)，推動(dòng)電池商業(yè)化。

實(shí)驗(yàn)方法

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基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與襯底處理

電池采用倒置 p-i-n 結(jié)構(gòu)，以玻璃/ITO/PTAA/鈣鈦礦/PCBM/BCP/Ag架構(gòu)，通過(guò)優(yōu)化旋涂工藝制備活性層（Cs?.??FA?.??MA?.???Pb(I?.??Br?.??)?）。創(chuàng)新性開發(fā)四像素并聯(lián)封裝方案，采用135℃熱壓PIB密封工藝。

襯底先切割為 20×15mm 小片，用濃鹽酸（2M）和鋅粉蝕刻無(wú)效區(qū)域（防止短路），再依次在 2% 肥皂水、丙酮、異丙醇中超聲清洗（分別為 10 分鐘、30 分鐘、30 分鐘）。薄膜沉積前，襯底經(jīng) 20 分鐘紫外處理后，轉(zhuǎn)移至氧氣、水分、揮發(fā)性有機(jī)化合物含量均低于 1ppm 的充氮手套箱。

各功能層制備

空穴傳輸層（HTL）：將 2mg/mL 的 PTAA 甲苯溶液以 5000 轉(zhuǎn) / 分鐘旋涂 35 秒，100℃退火 10 分鐘；

鈣鈦礦層：前驅(qū)體溶液（1.3M，通式 Cs?.??FA?.??MA?.???Pb (I?.??Br?.??)?）按 “500 轉(zhuǎn) / 分鐘（4 秒）→2000 轉(zhuǎn) / 分鐘（6 秒）→5000 轉(zhuǎn) / 分鐘（30 秒）” 旋涂，旋涂 15 秒時(shí)滴加 200μL 氯苯作為反溶劑，隨后 100℃退火 20 分鐘；

電子傳輸層（ETL）與緩沖層：20mg/mL 的 PCBM 氯苯溶液以 1000 轉(zhuǎn) / 分鐘旋涂 60 秒形成 ETL，1mg/mL 的 BCP 乙醇溶液以 3000 轉(zhuǎn) / 分鐘旋涂 30 秒形成緩沖層；

頂電極：高真空（5×10??毫巴）下，通過(guò)掩膜板（面積 0.09cm2）熱蒸發(fā) 100nm 厚的銀電極。

封裝工藝

封裝電池正面（A）和俯視圖（B）的照片

封裝流程分七步進(jìn)行：

制備6×10cm、3mm 厚的玻璃襯底，將電池活性區(qū)域朝上放置；

在接觸焊盤涂抹銀漿，用聚酰亞胺（Kapton）膠帶固定電池；

貼上與 6×6cm 蓋玻片匹配的單層 PIB 框架，放置 0.2mm 直徑的非絕緣銀線于接觸焊盤；

銀線上放置銦扁平焊盤，再次用 Kapton 膠帶固定；

涂抹三層 PIB，蓋上第二塊 6×6cm 蓋玻片；

惰性環(huán)境下，135℃加熱板上手動(dòng)壓制 5 分鐘；

粘貼銅匯流條，將銀線焊接至匯流條。

表征與測(cè)試方法

電性能：JV、EQE、suns-JV

加速測(cè)試：85℃/85%RH濕熱老化、MPP光浸泡

戶外監(jiān)測(cè)：雙氣候帶ISOS-O-2協(xié)議（馬德里太陽(yáng)跟蹤/OC模式，格但斯克固定傾角/MPP模式）

光致降解機(jī)理

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在修正版 ISOS-L-1 協(xié)議下，采用LED照明并施加最大功率點(diǎn)（MPP）負(fù)載的光浸泡條件下，光伏參數(shù)的演變趨勢(shì)

1000小時(shí)光浸泡測(cè)試顯示：

Jsc從23.5 mA/cm2降至16 mA/cm2，成為PCE衰減主因；

Voc保持1.08-1.11V穩(wěn)定，F(xiàn)F從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發(fā)現(xiàn)11.7°新衍射峰（水合相），PL譜無(wú)位移證實(shí)帶隙穩(wěn)定。

氣候適應(yīng)性差異

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在兩種氣候區(qū)、不同工作及測(cè)量條件下的戶外測(cè)試（ISOS-O-2）結(jié)果

173天戶外監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)：

馬德里OC工況：熱應(yīng)力高、輻照強(qiáng)、濕度低，電池OC狀態(tài) + 太陽(yáng)跟蹤器，每 10 分鐘測(cè)量。2 月初至 4 月末（84 天）功率輸出最高，此后持續(xù)下降至完全失效；

格但斯克MPP工況：高濕度、溫度波動(dòng)大，電池MPP 狀態(tài) + 固定傾角，每 60 分鐘測(cè)量。經(jīng)歷初始老化后，功率穩(wěn)定在 1.5mW，全程無(wú)降解。

對(duì)照實(shí)驗(yàn)證實(shí)OC工況引發(fā)更嚴(yán)重Voc衰減（0.15V）和FF損失（12%）

負(fù)載應(yīng)力影響

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格但斯克額外電池在不同負(fù)載條件下的戶外ISOS-O-2測(cè)試結(jié)果

48天多負(fù)載對(duì)比顯示降解速率：OC > MPP > SC

suns-JV分析表明：

SC工況：僅高光強(qiáng)PCE輕微下降

MPP工況：低光強(qiáng)FF衰減（分流形成）

OC工況：全光照范圍FF退化（體復(fù)合+界面失效）

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

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本研究通過(guò)四電池封裝技術(shù)、加速測(cè)試與戶外對(duì)比，得出三大核心結(jié)論：

封裝與降解模式：研發(fā)的 PIB 四電池封裝方法具備高環(huán)境適應(yīng)性，但電池在光照下存在“鈣鈦礦層降解、體相缺陷形成、界面損失”三類降解模式，需針對(duì)性優(yōu)化；

氣候與負(fù)載的關(guān)鍵作用：戶外性能受氣候區(qū)和負(fù)載條件共同影響 —— 格但斯克（Dfb 氣候、MPP）電池穩(wěn)定，馬德里（Csa 氣候、OC）電池完全降解；OC 狀態(tài)降解最嚴(yán)重，MPP 次之，SC 最輕，且氣候（溫度）對(duì)穩(wěn)定性的影響遠(yuǎn)超太陽(yáng)跟蹤器、測(cè)量頻率等因素；

測(cè)試方法的重要性：即使戶外功率無(wú)下降，suns-JV 仍能捕捉到分流等潛在問(wèn)題，且加速測(cè)試與戶外性能的關(guān)聯(lián)需統(tǒng)一測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)（如負(fù)載、光照源），為后續(xù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定提供依據(jù)。

本研究建立的跨氣候關(guān)聯(lián)分析方法，為制定普適性加速測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)提供了理論依據(jù)。后續(xù)需擴(kuò)大樣本量開展多季節(jié)循環(huán)驗(yàn)證，并探索封裝-電極界面的協(xié)同退化機(jī)制。

美能溫濕度綜合環(huán)境試驗(yàn)箱

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美能溫濕度綜合環(huán)境試驗(yàn)箱采用進(jìn)口溫度控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)多段溫度編程，具有高精確度和良好的可靠性，滿足不同氣候條件下的測(cè)試需求。

溫度范圍：20℃~+130℃

溫濕度范圍：10%RH~98%RH(at+20℃-+85℃）

滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：IEC61215、IEC61730、UL1703等檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

美能溫濕度綜合環(huán)境試驗(yàn)箱通過(guò)精確控制紫外輻照劑量與85°C/85%RH的濕熱環(huán)境，成功復(fù)現(xiàn)了戶外光伏組件的嚴(yán)重功率衰減，揭示了紫外與濕熱應(yīng)力的協(xié)同放大效應(yīng)，證實(shí)紫外預(yù)處理會(huì)急劇加劇后續(xù)濕熱對(duì)柵線接口的腐蝕，為制定更精準(zhǔn)預(yù)測(cè)組件長(zhǎng)期可靠性的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)提供了關(guān)鍵依據(jù)。

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