柔性钙钛矿太阳能微型模块在长时间潮湿高温测试超过4000小时后因水蒸气渗入而发生严重失效

来源:钙钛矿材料和器件发布时间:2025-11-17 14:23:21

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。

不同阻隔膜水汽透过率(WVTR)PSCs模块的PCE变化率:0.005(黑色)、0.019(蓝色)、0.07(红色)和0.44(绿色)g/m2/day。

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。

在 85°C/85% 相对湿度下进行高温高湿测试时,封装 PSC 模块中由湿气引起的降解的拟议机制。(消息来源:Materials Science in Semiconductor Processinghttps://doi.org/10.1016/j.mssp.2025.110247)

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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