科學專欄
陳棋團隊Advanced Energy Materials 1000小時鈣鈦礦電池無溶劑低溫封裝技術
本文亮點
- 本工作為以經濟的方式實現混合鈣鈦礦光電子學可行的可擴展且穩健的封裝策略鋪平了道路。
- 本文介紹用於鈣鈦礦太陽能電池器件封裝材料的4個重要要求
- 通過採用低成本石蠟作為與鈣鈦礦吸收體相容的封裝劑，展示了一種無溶劑低溫熔融封裝技術，使完全封裝操作能夠在周圍環境下進行。
- 該策略不僅可以去除殘留的氧氣和水分以防止鈣鈦礦相分離，還可以抑制物質揮發以阻止吸收劑分解，從而使 PSC 器件具有良好的熱穩定性和水分穩定性。
- 封裝後的 PSC 在室溫環境下以連續最大功率點輸出實現了1000 小時的工作壽命。
前言
2020年1月，Advanced Energy Materials雜誌發表了北京理工大學陳棋教授等針對鈣鈦礦太陽能電池發展的無溶劑低溫封裝技術。文中提到無溶劑和低溫加工封裝策略的優勢，即低成本封裝材料石蠟的優點。其獨特的無溶劑低溫加工能力與鈣鈦礦吸收劑相容，可在環境條件下進行加工，具有可擴展性。
此外，非極性石蠟可以有效去除封裝過程中殘留的氧氣和水分，防止鈣鈦礦相分離，抑制鈣鈦礦揮發，阻礙吸收劑分解。憑藉這些優勢，封裝器件在環境條件下的最大功率點 (MPP) 下連續測試 1000 小時後，仍保持原始效率的 80% 以上，從而顯示出卓越的穩定性。
背景介紹
對於商用太陽能電池，效率、壽命和成本是三個最關鍵的參數。憑藉非常有競爭力的效率，鈣鈦礦太陽能電池的成本僅為矽太陽能電池的一半左右，而它們的壽命是主要問題。因此，提高長期穩定性以延長壽命是鈣鈦礦太陽能電池發展的首要任務。最近，許多化學策略，包括摻雜、成分工程、尺寸工程、晶界改性和功能傳輸材料設計已被用來解決鈣鈦礦的固有不穩定性問題，如離子遷移、熱分解/相變和吸濕性材料。
然而，改善效果仍然有限，尤其是當鈣鈦礦太陽能電池暴露於周圍環境和連續運行條件。離子晶體行為和成分特徵是使鈣鈦礦材料對環境條件下的主要物種（特別是氧氣和水分敏感的兩個主要因素）導致材料快速降解以及器件性能。將鈣鈦礦太陽能電池從這些物種中分離出來對於保護它們免受環境誘導的降解至關重要。
封裝已廣泛應用於商業化的電子設備，也被用於鈣鈦礦太陽能電池，並顯示出對器件穩定性的明顯增強。到目前為止，已經對 PSC 使用了幾種封裝策略，但是仍然存在的一個關鍵問題是通常使用的封裝材料不能滿足長期穩定性的目標。對於用於 PSC 器件的封裝材料，除了其固有的長期穩定性外，還必須滿足四個要求：
1) 暴露於太陽能電池器件所用材料時具有化學惰性，能夠與電池直接接觸，避免物種揮發；
2) 由於鈣鈦礦材料和有機傳輸材料對大多數有機溶劑敏感，因此在封裝過程中不含溶劑或至少沒有破壞性溶劑；
3) 低溫加工性，因為鈣鈦礦的熱穩定性差，要求封裝工藝不高於150-170°C；
4) 低水蒸氣透過率（WVTR），有效防止水分侵入。此外，封裝的成本和環境可加工性對於大規模生產也同樣重要。
本文展示了低成本封裝材料石蠟作為鈣鈦礦太陽能電池的無溶劑和低溫加工封裝策略的優勢。其獨特的無溶劑低溫加工能力與鈣鈦礦吸收劑相容，可在室溫環境條件下進行加工，深具產業化的可擴展性。
圖表解析
圖 1.
鈣鈦礦薄膜的俯視SEM圖像與PL圖。
a) 新鮮樣品，b) 未封裝的樣品，c) N2 和 d) 周圍環境中的 UVCA 封裝膜。 (b)-(d) 在周圍環境的光照下老化 1 小時。 e) XRD 圖譜和 f) 在不同條件下製備的鈣鈦礦薄膜樣品的穩態 PL 光譜。
圖 2. 封裝結構圖。
a) 含石蠟的 UVCA 和 b) 不含石蠟的 UVCA 的封裝結構示意圖。用 c) 和 e) 的石蠟通過 UVCA 封裝的器件的兩側照片圖像。 d) 和 f) 無石蠟 UVCA。
圖 3. Voc光強和理想因子n。
使用Enlitech 的太陽光模擬器可自動調變2.6 到 100 mW cm-2（從 0.26 到 1 太陽）的不同入射光強度下，配合IVS-KA6000軟件自動測量與光強相關的 Voc，相應的參數繪製在上圖中。光照 6 小時後封裝器件的光強相關 Voc數據圖(Sun-Voc)，及根據Sun-Voc關係擬合得到的理想因子n。「Reference」是新鮮器件。
此外，文中指出可以通過研究每個器件的能量損失，來研究缺陷。光強相關的 Voc 可以提供對 PV 器件中重組過程機制的重要見解。在 Voc 下，沒有淨電流 (J = 0 mA cm−2) 通過器件，因此所有光生電荷載流子都應該在鈣鈦礦膜中重新複合。相應的電荷載流子復合過程由理想因數 n 反映出來，該因數由 Voc 與入射光強度的斜率確定，如公式所示：
其中 q 是基本電荷，k 是玻爾茲曼常數，T 是溫度，而 Φ 是光強度。使用KA-Viewer軟件可準確的擬合理想因數n。當理想因數 n 接近 2 時，Shockley-Read-Hall (SRH) 型，陷阱輔助複合占主導地位。相反，在自由電子和空穴複合的情況下，理想因數應為1。（參考Link）從擬合曲線的斜率計算的理想因數 n 分別為新鮮器件、帶/不帶石蠟封裝器件的 UVCA 的 1.54、1.58 和 1.84，封裝器件在測試前在光照下老化 6 小時。從理想因數的變化可以得出結論，石蠟封裝的老化UVCA中的陷阱輔助重組接近新鮮器件，這是由於石蠟封裝的UVCA抑制了缺陷的產生。
然而，沒有石蠟包封裝置的 UVCA 顯示從 1.54 到 1.84 的顯著變化，表明更高的陷阱輔助重組率。上述結果表明，除了抑制相分離和降解外，具有石蠟包封的UVCA在抑制缺陷產生方面也顯示出優越的優勢。非極性使石蠟能夠完全去除殘留的氧氣和水分，從而實現出色的材料穩定性。
圖 4.
a) 封裝前後器件的 J-V 曲線。 b) 具有石蠟封裝的 PSC 器件的 UVCA 的外部量子效率和相應的積分光電流Jsc(EQE)。 c) 熱穩定性和 d) 封裝器件的濕度穩定性軌跡。 e) 在不同封裝條件的周圍環境下連續 MPP 跟蹤。
帶有石蠟封裝裝置的 UVCA 顯示出優異的穩定性。即使經過 1000 小時的 MPP 測量，該設備仍保留其初始 PCE 的 80% 以上。這項工作表明，使用環境封裝的 PSC 也可以在環境下的 MPP 跟蹤中存活超過 1000 小時。據我們所知，這也是在周圍環境下完成封裝過程的少數作品之一。因此，我們相信這種低成本且直接的封裝方法將縮短 PSC 的基礎研究和商業化之間的差距。
小結
本文通過使用非極性低成本石蠟作為封裝劑，開發了一種與鈣鈦礦太陽能電池相容的低溫（低於 100°C）封裝技術。發現低熔點石蠟能夠在封裝過程中去除殘留的氧氣和水分，並在鈣鈦礦分解時阻止揮發性物質的逸出。通過這種封裝，鈣鈦礦吸收層的相分離和空位缺陷的產生要少得多，從而抑制了薄膜的分解，並顯著提高了器件的熱穩定性和水分穩定性。最終，所得器件實現了卓越的長期穩定性，在 MPP 跟蹤下效率保持初始值的 80% 超過 1000 小時。更重要的是，這種基於石蠟的無溶劑包封方法可以在常溫環境下操作，更容易被大規模生產採用。因此，它為進一步開髮用於鈣鈦礦光電商業化利用的封裝技術提供了新的見解。
文獻訊息
1000 h Operational Lifetime Perovskite Solar Cells by Ambient Melting Encapsulation
Sai Ma, Yang Bai, Hao Wang, Huachao Zai, Jiafeng Wu, Liang Li, Sisi Xiang, Na Liu, Lang Liu, Cheng Zhu, Guilin Liu, Xiuxiu Niu, Haining Chen, Huanping Zhou, Yujing Li, Qi Chen
推薦儀器
SS-X 模擬器 是一款A+光譜等級的超級太陽光模擬器：
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