叠层保留94%：宽禁带钙钛矿硅叠层热循环稳定性远超单结

1 背景与问题

随着光伏技术的飞速发展，单结钙钛矿太阳能电池的认证效率已突破27.3%，而叠层太阳能电池更是达到了惊人的34.85%。然而，对于产业化应用而言，稳定性始终是横亘在宽禁带钙钛矿及叠层器件面前的一道鸿沟。

在实际的户外应用中，光伏器件不仅要承受光照，还要经历昼夜交替带来的剧烈温度波动。这种快速热循环（Rapid Thermal Cycling）会在钙钛矿材料内部诱导相变和应变，严重破坏器件的结构稳定性。现有的国际电工委员会（IEC）标准测试程序通常要求较长的循环周期（3-6小时）和较低的温度变化率（最高100°C/h），这种“慢速”测试往往无法捕捉到器件在真实工况或快速老化筛选中的失效机制。因此，科研界急需一种能够模拟快速温度变化（如10 °C/min）并结合光照环境的测试手段，以深入理解器件在光热耦合应力下的退化行为。

2 核心方案

为了攻克这一难题，来自慕尼黑工业大学和卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的研究团队在Nature Communications上发表了一项重要研究。该工作设计了一套快速光热循环测试系统，专门用于评估宽禁带（1.68 eV）钙钛矿电池及钙钛矿/硅叠层电池的运行稳定性。

论文的核心测试方法包括：

(1) 快速光热循环：定义了温度变化率约为 10 °C/min 的严苛测试条件，温度范围覆盖 5 °C 至 85 °C，每个循环周期为 15分钟；

(2) 原位电学表征：在热循环过程中，以 1分钟 的间隔持续进行 J-V 扫描，实时监测开路电压（Voc）、短路电流（Jsc）、填充因子（FF）和光电转换效率（PCE）的变化；

(3) MPPT 跟踪：对叠层电池进行最大功率点跟踪，模拟实际工作状态；

(4) 多环境耦合：将光照（AM 1.5 G）与快速温度变化同步施加，模拟真实的户外日/夜循环；

通过这套方法，研究者能够捕捉到传统静态测试无法发现的“初始老化”阶段，并利用同步辐射技术解析了温度诱导的晶格应变与相变对器件性能的致命影响。

图1.太阳热循环条件下器件性能的变化。a在快速太阳热循环条件下，器件运行期间的实时GIWAXS测量示意图。光伏参数随时间与温度的变化而变化（由灰色曲线表示，显示在5至80°C之间的热循环，每周期持续15分钟，温度变化率为约10°C/min）；b非常规化PCE与温度随时间的变化；c非常规化VOC与温度随时间的变化；d非常规化JSC与温度随时间的变化；e非常规化FF与温度随时间的变化。

3 实验结果与分析

研究团队利用上述快速测试方案，获得了关于器件退化机制的深刻洞察，关键数据如下：

3.1 宽禁带单结电池性能

在经过双钝化处理（3-F-PEAI和EDAI2）后，宽禁带单结器件取得了24.31%的最高效率。然而，在快速光热循环下，器件表现出明显的两阶段退化特征：

(1) 初始老化阶段：在测试初期，器件性能迅速下降，贡献了超过 60% 的相对性能损失；

(2) 稳态退化阶段：随后进入与温度波动相关的稳态退化。

3.2 叠层电池的优异热稳定性

令人惊喜的是，当宽禁带钙钛矿顶电池与硅底电池结合成叠层器件时，其热稳定性显著提升。

(1) 效率保持率：在超过 220分钟 的快速光热循环老化后，叠层电池仍保持了 94% 的初始性能；

(2) 冠军效率：室温下实现了 28.64% 的光电转换效率。

3.3 关键物理机制

通过原位GIWAXS 和PL 测试，发现温度变化率（10 °C/min）导致的晶格应变（Strain）和相变（Phase Transition）是导致FF和Voc损失的主要原因，而非单纯的离子迁移。

4 产品介绍

PVLab

多通道光伏器件稳定性测量系统

PVLab是一款模块化多通道太阳能电池稳定性测量仪，用于在光照、温度、湿度或气氛条件下开展长期老化与MPPT研究。系统支持多种稳定性工况并持续记录器件性能变化。适用于光伏材料筛选、封装分析、界面工程、失效变量对比和稳定性标准研究。钙钛矿光伏产业化要求稳定性测试从简单存放老化转向ISOS相关条件、MPPT、SPO、温湿度应力和运行工况研究。PVLab支持六类稳定性测试及环境耦合。

4.1 技术特点

(1) 集成无负载老化、恒压、恒流、MPP扫描、MPPT及稳态功率输出SPO六类稳定性测试功能；

(2) 电压范围覆盖±200V、电流范围覆盖±1000 mA，测量分辨率达到1 mV和1 μA；

(3) 温度控制范围覆盖-20℃至150℃，湿度控制范围覆盖20%-95%RH，可耦合光照与气氛环境；

(4) 支持任一子器件选择接线、氮气环境夹具与长期数据记录，适配空气敏感器件稳定性研究；

(5) 支持扩展1-256通道，MPPT采样达到1 s级；支持配置大面积3A模拟灯、长寿命LED老化光源，支持ISOS-L/D/T/LC等测试标准；

(6) 温度、湿度、气氛与六种老化模式可组合使用，用于建立与具体材料和器件失效机制相匹配的老化方案。

4.2 产品优势

(1) 多通道并行与多工况老化提升统计有效性，适合配方、封装和界面工程的系统筛选；

(2) 模块化环境耦合能力区别于单一固定工况平台，可随稳定性研究标准演进；

(3) 自动测试和长期数据追溯降低人工值守负担，适合持续数百至数千小时的实验；

(4) 六类老化工况和环境耦合能力可随研究问题调整，相比固定单工况条件，为新型光伏研究提供更全面的稳定性评估方案。

原文参考：Insights into the operational stability of wide-bandgap perovskite and tandem solar cells under rapid thermal cycling