鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）因制造成本低、效率高而有望在未來能源領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，但當(dāng)前其商業(yè)化受穩(wěn)定性和光學(xué)性能問題阻礙。

芬蘭阿爾托大學(xué)的科學(xué)家們開發(fā)了一種創(chuàng)新的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池封裝方法，該方法通過一步封裝過程，有效防止了由氧氣和濕氣引起的降解，同時(shí)顯著提高了電池的效率。通過采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）封裝的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了功率轉(zhuǎn)換效率（PCE）相對(duì)提高8%，并通過了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定性測(cè)試。美能溫濕度綜合環(huán)境試驗(yàn)箱用于環(huán)境模擬試驗(yàn)，為了驗(yàn)證評(píng)估鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的可靠性，是判斷鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是否能夠滿足商業(yè)應(yīng)用要求的重要依據(jù)。

鈣鈦礦電池封裝材料的制備和涂覆

AR-PED的制造過程

將 PSC 組件基底浸入密封劑中，防止水和氧氣滲透，并夾在制造的負(fù)模和玻璃蓋玻之間進(jìn)行原位封裝和玻璃側(cè)圖案化，以防止光學(xué)損失的過程。

AR-PED的架構(gòu)示意圖

封裝過程

PDMS混合物：將PSCs浸入PDMS混合物中，該混合物的單體與固化劑的體積比為5:1。

夾層結(jié)構(gòu)：將PSCs夾在金電極側(cè)的玻璃蓋片和基板底部的負(fù)抗反射模具之間。

邊緣密封：基板邊緣用0.5毫升PDMS覆蓋，以確保完全密封。

固化：PDMS在室溫下固化48小時(shí)，然后移除負(fù)模具。

負(fù)模具的制備

模具制作：通過復(fù)制韭菜葉表面結(jié)構(gòu)來制作負(fù)模具，使用PDMS復(fù)制并在室溫下固化48小時(shí)。

表面處理：使用等離子體清洗模具，然后通過蒸汽沉積法在模具上涂覆一層防粘附涂層。穩(wěn)定性測(cè)試

PED和原始設(shè)備在不同測(cè)試條件下的性能變化濕度測(cè)試：

90% 濕度下，未封裝電池3 小時(shí)內(nèi)幾乎完全降解，封裝電池（PED）6 小時(shí)后仍保持初始性能，浸入水中 1 小時(shí)后 PED 也能維持性能89。這表明封裝材料 PDMS 具有良好的防潮性能，能有效阻止水分侵入，保護(hù)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，顯著提高電池在高濕度環(huán)境下的穩(wěn)定性。

戶外測(cè)試：

在冬季戶外條件下，PED 的 J-V 特性幾乎不變，而未封裝電池性能下降 12%，主要因 Voc 和 FF 下降。這說明封裝材料在戶外環(huán)境中能有效阻隔氧氣和濕度，減輕低溫、氧氣等因素對(duì)電池性能的不利影響，進(jìn)一步證明了封裝對(duì)提升電池穩(wěn)定性的重要作用。

光學(xué)性能測(cè)試

ISOS-LC測(cè)試中PED和原始設(shè)備的性能變化

性能演變趨勢(shì)分析

PCE 演變：PEDs 在 70 小時(shí)內(nèi)與原始電池的 PCE 降解和恢復(fù)率相當(dāng)，但超過 70 小時(shí)后，原始電池降解加速，而 PEDs 在 360 小時(shí)后仍能保留約 80% 的初始性能，表明封裝能有效減緩電池性能下降，增強(qiáng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

Jsc 和 FF 演變：PEDs 的 Jsc 和 FF 值在光照期間下降，靜置時(shí)大部分恢復(fù)，與 PCE 趨勢(shì)一致，說明封裝對(duì)電流產(chǎn)生和收集過程有積極影響，有助于維持電池性能。

Voc 演變：PEDs 的 Voc 隨時(shí)間保持恒定，與原始電池Voc 下降形成對(duì)比，進(jìn)一步證明封裝可減少環(huán)境因素對(duì)電池內(nèi)部的影響，穩(wěn)定 Voc。

電池外觀變化分析

老化后 PEDs保持原始外觀，而原始電池明顯褪色，表明封裝能有效保護(hù) PSK，防止其降解，維持電池結(jié)構(gòu)完整性，從外觀上直觀體現(xiàn)了封裝對(duì)電池穩(wěn)定性的提升作用。不同條件下存儲(chǔ)的鈣鈦礦電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性

PSC設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定性比較

性能變化分析

在25℃和 42% 相對(duì)濕度環(huán)境下，PED 的性能與惰性氣氛中保存的電池相當(dāng)，僅因氧氣和濕度下降到初始性能的約95%；而原始電池性能隨時(shí)間顯著變化，PCE 低于對(duì)照組。這表明封裝能有效保護(hù)電池免受環(huán)境中氧氣和濕度的影響，維持其性能穩(wěn)定性，突出了封裝在提升鈣鈦礦太陽(yáng)能電池長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面的重要作用。

外觀特征分析

惰性氣氛中保存的 PSC電池和環(huán)境條件下儲(chǔ)存的PEDs外觀保持不變，而原始電池開始顯示嚴(yán)重退化跡象，新黃色斑點(diǎn)突出了晶界形成。這從外觀上直觀體現(xiàn)了封裝對(duì)電池結(jié)構(gòu)完整性的保護(hù)作用，與性能變化數(shù)據(jù)相互印證，進(jìn)一步證明了封裝在防止電池退化方面的有效性。鈣鈦礦電池的光學(xué)性能

光學(xué)性能比較和SEM圖像

光學(xué)性能分析

透光率：圖案涂層使 FTO 玻璃在 550nm 處的總透光率從 84% 略降至 80%，表明涂層雖對(duì)透光率有一定影響，但仍保持較高水平，保證了足夠的光線入射到電池內(nèi)部。

霧度：涂層使 FTO 玻璃在 550nm 處的霧度顯著提高到 55%，而裸露 FTO 玻璃幾乎無霧度。較高的霧度有助于光線向多個(gè)方向散射，延長(zhǎng)光學(xué)路徑，增強(qiáng)光吸收，這對(duì)提高電池性能具有重要意義。

反射率：涂層成功將反射率降低到不到一半，在可見光波長(zhǎng)區(qū)域提高了電池的外量子效率（EQE）。降低反射率可減少光學(xué)損失，使更多光線被電池吸收利用，從而提升電池的光電轉(zhuǎn)換能力。

光伏性能分析

AR - PED 的 PCE 比 PED 提高了 8%±0.8%，主要?dú)w因于短路電流密度約 6% 的增強(qiáng)和開路電壓 2% 的提高。這表明抗反射涂層通過優(yōu)化光學(xué)性能，有效提高了電池的光捕獲能力，進(jìn)而提升了整體光伏性能，驗(yàn)證了該涂層在提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率方面的顯著作用。

通過創(chuàng)新的聚二甲基硅氧烷（PDMS）封裝技術(shù)，成功地將鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的功率轉(zhuǎn)換效率提升了8%。這一顯著的效率提升不僅展示了新型封裝方法在光學(xué)性能和環(huán)境穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢(shì)，也為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的商業(yè)化應(yīng)用鋪平了道路。美能溫濕度綜合環(huán)境試驗(yàn)箱

確定組件承受高溫和潮濕以及零下溫度影響的能力，滿足標(biāo)準(zhǔn):IEC61215-MQT12（濕凍試驗(yàn)）、MQT13（濕熱試驗(yàn)）

• 溫度范圍：-50~150℃

• 濕度范圍：20%~98%RH

采用進(jìn)口溫度控制器，實(shí)現(xiàn)多段溫度編程，精度高，可靠性好

美能溫濕度綜合環(huán)境測(cè)試箱為研究過程提供了精確的環(huán)境模擬，使我們能夠全面評(píng)估封裝鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PED）在不同溫度條件下的性能。

原文出處：Addressing the efficiency loss and degradation of triple cation perovskite solar cells via integrated light managing encapsulation https://doi.org/10.1016/j.mtener.2024.101707

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