湿热与光老化条件下，封装工艺对碳基钙钛矿电池降解机理的影响

钙钛矿光伏（PV）电池的效率已突破26.7%，但其在湿度、温度变化和光照条件下的稳定性仍是产业化的关键挑战。本研究基于美能温湿度综合环境试验箱，聚焦于介孔碳基钙钛矿太阳能电池（c-PSC）在湿热(DH)测试（85°C/85%RH）与光照耦合条件下的降解机制。通过对比两种层压工艺，系统探究热塑性聚烯烃（TPO）封装材料对电池耐久性的影响。

钙钛矿电池的制备与封装工艺

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电池制备：以FTO玻璃为基底，依次沉积致密TiO₂（30 - 50nm）、介孔TiO₂（300 - 500nm）、ZrO₂（1 - 2μm）和碳电极（10 - 12μm），通过喷墨打印钙钛矿层（MAI / PbI2/ 5-AVAI），并湿度辅助退火优化性能。封装工艺：选择TPO作为封装材料，因其化学稳定性和与玻璃的良好兼容性。采用玻璃-玻璃结构和聚异丁烯作为边缘密封剂。层压条件分别为130°C和110°C，分别对应过程A和过程B。在40℃和75%相对湿度(RH)条件下进行135h热处理以优化性能

加速老化：在湿热（DH）条件下（85%RH，85°C）和光浸泡（1sun）下对电池进行加速老化测试。表征技术：定期从老化箱中取出电池进行电学性能表征，包括I-V曲线测量、光致发光（PL）成像、光束诱导电流（LBIC）映射和阻抗谱分析。

双85湿热测试下的电性能分析

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DH测试条件(左)光浸泡条件(右)样品电学参数随时间变化曲线

DH测试条件（左）光浸泡条件（右）采用工艺B封装的样品电流-电压（I-V）曲线随时间的变化通过电流-电压（I-V）测试系统评估了封装工艺对电池稳定性的影响。

• 工艺A（130°C层压）：初始400小时内功率转换效率（PCE）保持稳定（<5%衰减），随后因短路电流密度（Jsc）下降导致效率缓慢降低（1000小时衰减30%）。开路电压（Voc）在400小时达到峰值（1000mV），表明水分初期对钙钛矿具有钝化作用。
• 工艺B（110°C层压）：PCE在200小时内急剧下降50%，Jsc和填充因子（FF）同步恶化，反映封装界面劣化加速了载流子复合。

在光浸泡条件下，两种工艺均表现显著退化，但工艺A的PCE保留率（2.5%）仍优于工艺B（完全失效），凸显高温层压对光稳定性的改善作用。

双85湿热测试下的PL成像分析

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DH测试条件（左）光浸泡条件（右）电池平均光致发光（PL）强度随时间的变化PL强度变化直接关联钙钛矿层的化学状态：

• 湿热（DH）测试：工艺A样品PL强度在100小时内上升（灰度值25→50），对应水分诱导的钝化效应；400小时后强度下降，与I-V曲线中Jsc衰减吻合，证实钙钛矿分解为PbI2。工艺B样品PL信号在400小时饱和（灰度值250），表明严重水解导致钙钛矿相变失控。
• 光浸泡：所有样品PL强度在100小时内衰减>80%，且工艺B的下降速率更快，与TiO2缺陷态（Ti3+-VO）的光活化相关。

双85湿热测试下的LBIC成像分析

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DH测试过程中，A/B样品的激光诱导电流（LBIC）信号变化LBIC空间分布揭示了降解的起源与扩展路径：

• 工艺A：初始478小时内电流信号均匀，400小时后边缘区域信号突增（水分钝化），随后中心区域电流衰减，符合"边缘→中心"的水分渗透模型。
• 工艺B：电流信号从老化初期即呈不均匀下降，边缘区域退化显著，表明低温层压导致封装-玻璃界面存在微裂纹，加速局部水分侵入。

双85湿热测试下的阻抗谱学分析

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DH测试期间，从阻抗谱提取的参数随时间演变：(a)串联电阻（Rs）、(b)电荷传输电阻（Rct）、(c)复合电阻（Rrec）、(d)理想因子（n）通过3-RC模型拟合阻抗谱，量化了界面退化动力学：

• 串联电阻(Rs)：工艺B的Rs在300小时内上升200%，反映电极-钙钛矿接触失效（与PL饱和现象一致）；工艺A的Rs变化滞后至500小时。
• 复合电阻(Rrec)：工艺A的Rrec初期上升（钝化降低复合），后期因钙钛矿分解而下降；工艺B的Rrec持续降低，表明体相缺陷主导退化。
• 理想因子(n)：工艺B的n值快速降低（1.8→1.2），验证了水分诱导的SRH复合加剧。

TPO封装中，130°C层压工艺可显著提升c-PSC湿热稳定性。光照降解不可逆，但优化封装可延缓PbI2生成速率。未来需明确TPO成分（避免交联副产物），并探索低成本高阻隔性边缘密封材料。

美能温湿度综合环境试验箱

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美能温湿度综合环境试验箱采用进口温度控制器，能够实现多段温度编程，具有高精确度和良好的可靠性，满足不同气候条件下的测试需求。

温度范围：20℃~+130℃

温湿度范围：10%RH~98%RH(at+20℃-+85℃）

满足试验标准：IEC61215、IEC61730、UL1703等检测标准

基于美能温湿度综合环境试验箱的湿热(DH)测试表明：提高层压温度20°C（130°C vs 110°C）可使电池在85°C/85%RH条件下维持1000小时，效率仅下降30%，而低温层压样品性能迅速衰退。光照仍是主要降解因素，但优化后的封装工艺可延缓钙钛矿分解。本研究为碳基钙钛矿电池的封装设计提供了实验依据与理论指导。

原文参考：Impact of Encapsulation Processing Conditions onDegradation Mechanisms of Carbon-Based

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