518平方厘米活性区域的丝网印刷介观碳基钙钛矿太阳能模块在12个月内的户外稳定性

《Advanced Materials Technologies》：Outdoor Stability of 518 cm2 Active Area Screen-Printed Mesoscopic Carbon-Based Perovskite Solar Modules Over 12 Months

规模化制备的介孔碳基钙钛矿组件在真实环境下12个月老化测试显示，通过优化机械刻蚀工艺和封装技术，组件在35°C以下保持68%初始光电转换效率，性能衰减与高温直接相关且可逆，验证了低成本制造路径的可行性。

　　在当前的研究中，科学家们关注了基于碳材料的介观钙钛矿太阳能电池（C-PSCs）在真实环境下的性能表现与稳定性问题。这类太阳能电池因其成本低廉、可大规模制造以及在实验室中展现出的高光电转换效率（PCE）而受到广泛重视。然而，为了确保其商业化应用，必须解决其在实际使用环境中的耐久性问题。研究团队通过制造具有大活性面积（518 cm2）且几何填充因子（g-FF）超过80%的C-PSC模块，对模块在真实环境下的性能进行了为期一年的户外测试，并对其降解机制进行了深入分析。

研究结果显示，这些模块在初始测试中表现出较高的PCE，达到9.4%（在1 sun条件下），并且在较低光照强度下PCE甚至有所提升。这表明这些模块在非理想光照条件下依然具有一定的适应能力。然而，在户外连续测试过程中，模块的PCE逐渐下降，最终在12个月后仍能保持初始PCE的68%。值得注意的是，模块在冬季保持了较高的稳定性，而在夏季由于高温，其性能出现了明显下降。这种温度依赖性在多次重复实验中得到了验证，说明温度是影响C-PSC模块性能的关键因素之一。

研究人员还发现，模块的性能下降主要源于制造过程中的某些问题，如非均匀加热、封装过程中的缺陷以及渗透过程中出现的不均匀性。这些因素导致了钙钛矿层的部分区域出现早期降解，从而影响了整个模块的效率。具体来说，某些模块在封装前就出现了小范围的钙钛矿缺失区域，这些区域在封装后逐渐扩展，形成了明显的颜色变化（如淡黄色区域），进一步降低了模块的整体性能。然而，那些未经历这些制造缺陷的模块则表现出较少的颜色变化，主要呈现灰色，这可能表明其内部结构在长期暴露于自然环境中时具有更高的稳定性。

此外，研究还指出，封装过程中的高温（120°C）可能会加速钙钛矿的降解，即使在没有水分侵入的情况下。因此，采用低温封装材料可能是提高模块寿命的一个有效策略。同时，封装后的模块在高温条件下表现出显著的性能损失，而湿度的影响则相对较小，这表明温度是影响模块寿命的主要因素之一。

为了更深入地理解这些性能变化的原因，研究团队对模块的性能参数与光照强度、温度之间的关系进行了分析。结果显示，无论光照强度如何变化，模块的PCE均呈现出一定程度的下降，尤其是在高温条件下。这一趋势在不同季节和不同光照条件下都得到了验证，表明温度变化对模块的长期稳定性具有显著影响。为了更准确地评估模块的性能，研究团队还采用了滤波方法，排除了温度对数据的干扰，从而更清晰地揭示了光照强度对电流密度（Jsc）和开路电压（Voc）的影响。

实验还涉及对不同尺寸的模块进行测试，包括1 cm2的小型单元和更大面积的模块。结果显示，无论模块大小如何，其在高温下的性能损失趋势相似。这表明，模块的性能下降主要与温度有关，而不是其大小。此外，研究团队还对模块的微观结构进行了分析，利用扫描电子显微镜（SEM）和能量散射X射线光谱（EDS）等技术，观察了模块的结构和化学组成，为理解其降解机制提供了重要依据。

研究还探讨了模块制造过程中的一些关键步骤，如机械划线技术。这种技术不仅成本较低，而且能够在较大的模块上实现均匀的划线宽度和间隔，从而提高填充因子和整体性能。通过优化划线工艺，研究人员成功地将模块的填充因子提升至80%以上，这为提高模块的输出功率提供了重要支持。

在户外测试中，研究人员还发现模块的温度通常比环境温度高出约10°C，这可能是由于模块的深色外观在阳光下吸收了更多热量。当模块温度超过35°C时，其性能开始下降，而当温度降低后，模块的性能又趋于稳定。这表明，通过控制模块的温度，可以有效延缓其性能损失，从而延长其使用寿命。

研究团队还强调了在模块制造过程中优化工艺的重要性，特别是在控制加热和空气流动方面。不均匀的加热会导致钙钛矿的不均匀结晶，进而影响其性能。此外，封装过程中使用的高温可能也会加速材料的降解，因此寻找更合适的封装材料和工艺对于提高模块的稳定性至关重要。

总的来说，这项研究为钙钛矿太阳能电池的商业化提供了重要的数据支持。通过分析模块在真实环境下的表现，研究人员不仅揭示了影响其性能的主要因素，还提出了相应的优化策略。这些策略包括改进封装工艺、优化划线技术以及控制模块的温度。未来，随着这些技术的进一步发展，钙钛矿太阳能电池有望成为一种高效、稳定且成本低廉的可再生能源解决方案。