户外性能与热加速降解作用对倒置钙钛矿太阳能电池的影响

《Solar RRL》：Outdoor Performance and Thermally Accelerated Degradation of Inverted Perovskite Solar Cells

户外环境下反式钙钛矿太阳能电池（PSCs）长期稳定性研究显示，夏季高温（>50°C，内部达90°C）引发钙钛矿层高阻相变，导致效率显著下降。光学与SEM分析证实高阻相多分布于NiOx界面，室内加速测试验证热光耦合效应主导降解。MPPT测量法较I-V曲线追踪法能略微减缓退化，可能与载流子热应力差异有关。湿度影响可忽略，热管理是提升户外可靠性的关键。

　　本研究聚焦于一种倒置结构的钙钛矿太阳能电池（PSCs）在长期户外环境中的性能表现与退化机制。通过为期三年的实地监测，我们观察到这些封装良好的PSCs在夏季表现出显著的性能下降。尽管初始效率可以达到20%以上，但在高温条件下，特别是当表面温度超过50°C时，内部温度可升至约90°C，从而引发严重的效率损失。这项研究不仅揭示了钙钛矿材料在实际应用中面临的挑战，还探讨了不同测量方法和封装技术对性能稳定性的影响，为提升钙钛矿太阳能电池的户外可靠性和商业化前景提供了重要依据。

钙钛矿太阳能电池因其在实验室中取得的高转换效率、简便的制造工艺以及潜在的低成本和轻量化应用而受到广泛关注。当前，这类电池的转换效率已超过25%，与传统的硅基太阳能电池相当。然而，尽管实验室性能优异，钙钛矿太阳能电池在实际户外环境中仍面临稳定性问题。其主要的退化机制包括温度波动、紫外线（UV）照射以及电化学应力等。这些因素会导致诸如离子迁移、薄膜开裂和界面退化等失效模式，从而影响电池的长期运行效率。

在本研究中，我们采用了一种倒置结构的钙钛矿太阳能电池，其结构为玻璃/氧化铟锡（ITO）/NiO?/钙钛矿/C??/苯基卡巴肼（BCP）/银（Ag）。这种结构的优势在于其对柔性基板的适应性以及较低的迟滞效应，这有助于提升电池的稳定性和实用性。为了评估其在户外环境中的表现，我们采用了两种安装方式：固定南向倾斜35°以及双轴跟踪系统。通过持续监测，我们发现，在夏季高温期间，特别是当表面温度超过50°C时，电池的性能迅速下降，这表明高温是影响钙钛矿层稳定性的关键因素。

在实验过程中，我们特别关注了不同的测量方法对电池退化的影响。具体而言，我们比较了电流-电压（I-V）曲线追踪和最大功率点追踪（MPPT）两种方法。结果显示，使用MPPT方法测量的电池在三年内表现出略低于I-V曲线追踪的退化趋势。这一差异可能源于测量过程中对电池施加的热和电应力不同。I-V曲线追踪通常在白天的特定时间点进行，而MPPT方法则持续追踪电池的最大输出功率，这可能在一定程度上减少了因测量引起的额外应力。此外，I-V曲线追踪测量时，电池处于开路状态，因此其内部载流子行为与实际运行状态存在差异，这也可能是影响测量结果的一个因素。

为了更准确地评估电池内部温度，我们采用了一种基于短路电流（Isc）与开路电压（Voc）关系的估算方法。这种方法可以有效反映电池在高温条件下的实际温度变化。实验数据显示，当表面温度达到50°C以上时，电池内部温度可能接近90°C。这一温度范围对钙钛矿材料的稳定性构成了重大威胁，可能导致材料结构的变化和性能的下降。此外，我们还发现，尽管在户外环境中使用了UV过滤器，但其对电池性能的影响并不显著。这可能是因为NiO?层本身具有较强的UV阻隔能力，从而减少了外部UV光对钙钛矿层的直接照射。

进一步的分析表明，高温条件下的退化主要与钙钛矿层内部的热诱导相变有关。通过在室内模拟高温和光照环境，我们成功复现了户外退化现象，证实了温度和光照共同作用下，钙钛矿材料中会形成高电阻相。这种高电阻相的出现与电池内部的电荷积累密切相关，从而影响了电池的整体性能。我们还利用光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）对退化后的样品进行了微观结构分析，观察到钙钛矿层中存在高电阻相，尤其是在NiO?界面附近。这些高电阻相在SEM图像中表现为亮色区域，表明其具有较高的电荷密度，可能是由于界面处的电荷积累效应所致。

为了进一步验证这一退化机制，我们对未受光照的样品进行了加热处理。在70°C的高温环境下，样品的性能逐渐下降，并在光学显微镜下观察到类似户外退化的高电阻相。值得注意的是，尽管X射线衍射（XRD）分析未能检测到δ相的特征峰，这可能是因为这些高电阻相的体积比例较低或晶体结构不够完整。因此，未来的研究可能需要借助更先进的分析技术，如透射电子显微镜（TEM）衍射，来更精确地识别这些微观结构的变化。

此外，我们还分析了湿度对电池性能的影响。尽管湿度与温度在一定程度上相互关联，且对钙钛矿材料的稳定性具有重要影响，但在高温退化期间并未观察到显著的湿度变化。这表明，在实际户外环境中，高温可能比湿度对钙钛矿太阳能电池的退化更具决定性作用。因此，提升钙钛矿材料的热稳定性应成为未来研究的重点。

在实验方法方面，我们采用了一种高度封装的结构，将电池样品固定在玻璃和环氧树脂之间，以确保其在户外环境中的防护性能。为了便于户外测试，我们对电池电极进行了铜线焊接，并进行了二次密封处理。这种封装方式虽然提供了良好的物理保护，但同时也增加了热积累的可能性，使得电池内部温度与表面温度之间存在较大的差异。因此，在户外测试中，我们特别关注了表面温度与内部温度之间的关系，并采用相应的测量方法进行修正。

在室内测试中，我们使用了标准的模拟太阳光（AM1.5）和控制温度条件，以评估电池在不同环境下的稳定性。实验结果表明，在70°C的高温条件下，电池的退化行为与户外环境相似，进一步验证了热诱导相变是导致效率下降的主要原因。同时，我们还对不同光照条件下的退化情况进行了比较，发现光照与温度的共同作用对电池性能的影响尤为显著。

本研究的发现强调了在钙钛矿太阳能电池的实际应用中，热管理和测量方法的选择对电池的长期稳定性至关重要。尽管当前的封装技术已经能够提供一定程度的保护，但如何进一步降低电池内部温度、优化测量方式以及改进材料设计，仍然是提升其户外性能的关键问题。此外，研究还指出，通过在NiO?表面引入更稳定的处理方式，或是在钙钛矿材料中掺杂三价阳离子，可能有助于抑制热诱导相变，从而延长电池的使用寿命。

为了推动钙钛矿太阳能电池的商业化进程，我们需要从多个方面进行改进。首先，材料设计的优化是关键。目前，钙钛矿材料在高温和湿度条件下容易发生结构变化，导致性能下降。因此，开发具有更高热稳定性和湿度耐受性的钙钛矿材料，将是提升其实际应用性能的重要方向。其次，封装技术的改进也至关重要。尽管现有的封装方式能够提供一定的防护，但在高温条件下，热积累问题仍然存在，这可能加速电池内部材料的退化。因此，未来的研究可以探索更高效的封装材料和结构，以减少热传导并提高整体防护性能。

此外，测量方法的选择也需要更加谨慎。本研究发现，I-V曲线追踪方法在高温条件下可能导致电池的进一步退化，而MPPT方法则能有效减少这种影响。因此，在实际应用中，采用MPPT测量方式可能有助于降低电池的热和电应力，从而延长其使用寿命。同时，测量方法的标准化也应得到重视，以确保不同实验条件下数据的可比性和可靠性。

最后，我们还探讨了如何通过模块设计优化电池的户外性能。例如，通过调整电池的安装角度和跟踪系统，可以有效减少高温对电池的影响。此外，优化电池的冷却系统或采用更高效的热管理策略，也是提升其户外稳定性的潜在途径。这些改进措施将有助于钙钛矿太阳能电池在实际应用中实现更长的寿命和更高的效率。

总之，本研究通过长期户外监测和室内加速测试，揭示了钙钛矿太阳能电池在实际应用中面临的稳定性挑战。研究结果表明，高温是导致电池性能下降的主要因素，而不同的测量方法和封装技术对退化程度有显著影响。未来的研究应进一步关注材料设计、封装技术和测量方法的优化，以提升钙钛矿太阳能电池的户外可靠性和商业化前景。只有通过多方面的改进，才能使钙钛矿太阳能电池在实际应用中发挥其潜力，成为未来可持续能源系统的重要组成部分。