钙钛矿太阳能电池的降解机制和稳定化技术，解决实际应用中面临的稳定性问题

钙钛矿材料因其超过25%的认证光电转换效率（PCE）而在下一代太阳能材料中占据主流地位。钙钛矿/硅串联电池已实现超过33%的效率，超越了传统硅太阳能电池的极限。然而，钙钛矿太阳能电池的稳定性问题仍然是其商业化的主要障碍，尤其是在实际能量收集模式下，其降解速度更快。

钙钛矿晶体生长机制

钙钛矿晶体生长的热力学调控机制

钙钛矿晶体生长机制示意图：钙钛矿晶体通过有机卤化物（AX）和铅卤化物（PbX₂）之间的反应形成。反应首先在溶液中随机发生，形成钙钛矿（APbX₃）的晶核。

晶体生长的热力学调控：晶体生长的方向和速度取决于AX的浓度和反应温度。

临界尺寸（ac）：只有当晶核的尺寸超过临界尺寸时，晶体才能自发生长。

种子晶体的作用：通过在PbX₂薄膜中嵌入种子晶体，可以降低晶体生长的能量障碍，从而促进更大尺寸的晶体形成。

光照对晶体生长的影响：光照会降低晶体生长的临界能量障碍，但可能导致晶粒尺寸减小。钙钛矿材料的不稳定性—湿度和氧气的影响

湿度对钙钛矿材料的影响

钙钛矿材料（如CH₃NH₃PbI₃，简称MAPbI₃）在高湿度条件下会与水发生反应，导致材料分解。反应方程式如下：其中，AX表示有机卤化物，如CH₃NH₃I（MAI），PbX₂是不溶于水的固体，而AX则溶于水。实验观察到，钙钛矿薄膜在高湿度下会逐渐变为黄色的PbI₂薄膜，表明发生了化学分解。氧气对钙钛矿材料的影响

单独的氧气在室温下对钙钛矿材料的影响较小，但在光照条件下，氧气会与钙钛矿材料发生协同作用，加速材料的降解。实验观察到，光照下氧气会与钙钛矿表面的光生电荷发生反应，生成超氧阴离子（O₂⁻），进而导致钙钛矿材料的分解。

氧气在光照条件下会与钙钛矿表面的光生电荷相互作用，形成稳定的Pb-O键，加速材料的降解。实验和理论计算表明，电荷陷阱的存在会显著加速钙钛矿材料的降解，特别是在存在H₂O和O₂的环境中。钙钛矿材料的热稳定性

热诱导降解：钙钛矿材料在高温下会发生降解，特别是基于甲胺（MA）的钙钛矿在85°C下会迅速分解。热稳定性改进：通过成分工程（如混合A阳离子和卤素）和界面处理，可以显著提高钙钛矿材料的热稳定性。

实际应用中的热稳定性：在实际工作温度范围内（-15°C至65°C），钙钛矿材料的热稳定性已能满足商业化需求。钙钛矿太阳能电池的运行稳定性

不同偏压条件下钙钛矿电池的稳定性

钙钛矿太阳能电池的偏压依赖性降解

短路条件（SC）：在短路条件下，电池表现出最高的稳定性，效率几乎不下降。这是因为短路条件下没有电场，电荷可以自由流动，减少了电荷积累。

开路条件（OC）：在开路条件下，电池稳定性最差，效率在40小时内下降了40%。这是因为开路条件下电场最强，导致大量电荷在界面处积累，加速了降解。

最大功率点跟踪（MPPT）条件：MPPT条件下的稳定性介于SC和OC之间。尽管MPPT条件下的降解速度比OC慢，但仍然显著高于SC条件。

偏压对稳定性的影响：高偏压（如开路和最大功率点）会导致更多的电荷积累，从而加速钙钛矿材料的降解。

界面电荷积累：电荷在ETL/钙钛矿和钙钛矿/HTL界面处的积累是导致快速降解的关键因素。

短路条件的优势：在短路条件下，电荷可以自由流动，减少了电荷积累，从而显著提高了电池的稳定性。

优化策略：通过优化界面结构和减少电荷积累，可以显著提高钙钛矿太阳能电池的稳定性。钙钛矿电池的稳定化技术

钙钛矿太阳能电池的可逆恢复与化学稳定性增强

钙钛矿太阳能电池在最大功率点跟踪（MPPT）和黑暗条件下的循环操作实验。实验中，电池在1 sun光照下进行MPPT操作5小时，随后在黑暗中休息数小时，重复4个循环。

在每个循环中，电池在MPPT操作期间表现出约10%的效率下降，但在黑暗中休息后，性能几乎完全恢复到初始水平（约98%）。

不可逆降解：连续运行100小时的电池表现出不可逆的性能下降，说明在连续操作中，不可逆降解会逐渐累积。

可逆恢复：钙钛矿太阳能电池在黑暗中可以恢复部分性能，这一特性可以利用夜间休息来延长电池的使用寿命。

实验验证：经过共价键处理的电池在1000小时的长期测试中表现出优异的稳定性，效率保持率高达98.6%。钙钛矿电池的稳定性挑战与解决方案

钙钛矿太阳能组件的稳定性挑战与解决方案

扩散阻挡层（DBL）的应用：DBL可以有效防止离子扩散和电荷载流子复合，显著提高组件的长期稳定性。

部分遮挡的影响：部分遮挡会导致组件性能下降，并可能引发局部过热和加速降解。

旁路二极管的作用：引入旁路二极管可以分流遮挡子电池的电流，避免其承受反向偏置，从而保持组件的整体性能。

设计优化的重要性：通过工程化设计（如DBL和旁路二极管）可以显著提升钙钛矿太阳能组件的稳定性和实际应用性能。

钙钛矿太阳能电池凭借其卓越的光电转换效率，在可再生能源领域展现出巨大的潜力，但稳定性问题成为其商业化进程中的关键阻碍。在众多影响因素中，最大功率点跟踪（MPPT）不仅是实现高效能量转换的核心环节，更是衡量电池在实际应用中性能稳定性的重要指标。美能MPPT多通道电池测试系统

美能MPPT多通道电池测试系统采用A+AA+级LED太阳光模拟器作为老化光源，以其先进的技术和多功能设计，为钙钛矿太阳能电池的研究提供了强有力的支持。

• 光源等级：A+AA+，光谱匹配度A+级，均匀性A级，长时间稳定性A+级

• 有效光斑大小：≥250*250mm（可定制）

• 光强可调节：0.2sun, 0.5sun, 1sun, 1.5sun，4个档位

功率独立可控：300-400 nm/400-750 nm/750-1200 nm

在实际应用中，美能MPPT多通道电池测试系统通过精确控制电流-电压关系和优化扫描方向，能够有效解决钙钛矿太阳能电池的稳定性和滞后问题，提高其功率输出和效率评估的准确性。

原文出处：Towards Long-Term Stable Perovskite Solar Cells:Degradation Mechanisms and Stabilization Techniques

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