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雖然鈣鈦礦型太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)顯著提高，但耐久性限制了其在商業(yè)化中應(yīng)用的可能性。近日，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的Anita W. Y. Ho-Baillie教授和Lei Shi（共同通訊作者）首次使用氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）揭示了有機雜化鈣鈦礦在熱應(yīng)力下分解的特征性揮發(fā)性產(chǎn)物及其途徑。另外，使用GC-MS來確認(rèn)低成本的聚異丁烯(合成橡膠)基或聚烯烴基聚合物-玻璃堆疊壓力密封封裝策略可有效抑制鈣鈦礦放氣，該過程導(dǎo)致其分解。使用這種封裝方案，包含多陽離子多鹵化物鈣鈦礦太陽能電池的CH3NH3（MA）經(jīng)受了超過1800小時的濕熱測試和75個周期的濕度凍結(jié)試驗，首次超過了國際電工委員會關(guān)于這類光電器件的熱和濕的測試標(biāo)準(zhǔn)（IEC61215：2016標(biāo)準(zhǔn)）的要求。相關(guān)論文以題為“Gas chromatography-mass spectrometry analyses of encapsulated stable perovskite solar cells”發(fā)表在Science上。

眾所周知，鹵化物鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）在功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）上有了很大的提高，僅在10年內(nèi)就從3.8%提高到25.2%。再加上其低制造成本，PSC技術(shù)作為獨立的鈣鈦礦電池是非常有前途。但是，要使PSC在商業(yè)上可行，就必須能夠抵抗水分，熱量和光等長期的環(huán)境壓力。近年來，研究者已經(jīng)開發(fā)了防潮技術(shù)，如：環(huán)氧樹脂，丁基橡膠，陶瓷薄膜和二元化合物，它們可以有效地將鈣鈦礦和有機太陽能電池與高濕度環(huán)境隔離開。改變電池設(shè)計和材料選擇以改善濕度和熱穩(wěn)定性的其他策略包括改變?nèi)S（3D）鈣鈦礦成分，應(yīng)用2D鈣鈦礦材料以及使用替代的電子/空穴傳輸材料。改善PSC的熱穩(wěn)定性的一種策略是抑制鈣鈦礦材料的應(yīng)力誘導(dǎo)氣態(tài)分解。

盡管已報告的大部分PSC穩(wěn)定性研究都是在85°C下進(jìn)行的，但實際室外條件下的光伏模塊必須能夠承受濕氣侵入和極端溫度的雙重影響。此類模塊必須能夠經(jīng)受住這些測試，并且效率的相對損失小于5％。因此，潮濕凍結(jié)測試結(jié)合了濕熱循環(huán)和熱循環(huán)，對太陽能電池及其封裝施加了最嚴(yán)酷的壓力。例如，封裝內(nèi)進(jìn)入的水分將在冷凍過程中固化，隨后使封裝劑分層。溫度循環(huán)可促進(jìn)鈣鈦礦的分解，而鈣鈦礦本身可加速分解反應(yīng)。因此，鈣鈦礦材料的包封或不穩(wěn)定性的弱點很可能通過“濕度凍結(jié)”測試得以揭示。在之前的研究中，采用基于聚異丁烯（PIB）的聚合物“毯蓋”封裝方案，在潮濕的環(huán)境中存活了500小時而沒有降解。

在本文中，作者開發(fā)了一種改進(jìn)的封裝順序，同時防止了濕氣/空氣進(jìn)入裝置，并抑制了揮發(fā)性有機氣體從混合鈣鈦礦的釋放。此外，結(jié)合氣相色譜-質(zhì)譜分析監(jiān)測鈣鈦礦和前驅(qū)體組件中析出的氣體，這對于確定和實施最佳封裝策略至關(guān)重要。更加重要的是，除了這種封裝方法的簡單性之外，作者還證明了開發(fā)用于PSC的低成本封裝技術(shù)的可行性，與形成保護(hù)性屏障的技術(shù)難度更大且成本更高的工藝形成對比。


圖1.用于IEC 61215：2016濕熱和熱循環(huán)試驗的太陽能電池


圖2. 基于IEC61215：2016測試的結(jié)果證明包裝方案的有效性



圖3. 鈣鈦礦前驅(qū)體粉末的特征分解產(chǎn)物


圖4.GC-MS測量未封裝結(jié)構(gòu)和封裝結(jié)構(gòu)電池

圖5.未封裝測試和封裝測試電池的特征分解產(chǎn)物

總而言之，作者的工作表明，用簡單低成本的聚異丁烯或聚烯烴聚合物-玻璃組合封裝的有機內(nèi)硅鈣鈦礦太陽能電池具有優(yōu)異的耐久性，其性能指標(biāo)超過了IEC61215:2016濕熱和濕凍測試的要求。使用GC-MS，確定了單一、混合陽離子和混合鹵化物鈣鈦礦前驅(qū)體材料的分解產(chǎn)物。在已識別的特征分解產(chǎn)物如CH3I、CH3Br和NH3的基礎(chǔ)上，提出了MAI、FAI、MABr、混合陽離子和混合鹵化物鈣鈦礦前體的分解途徑，包括它們的二次分解反應(yīng)。

 原標(biāo)題：鈣鈦礦太陽能電池再次登上《Science》正刊