疊層保留94%：寬禁帶鈣鈦礦矽疊層熱循環穩定性遠超單結

1 背景與問題

隨著光伏技術的飛速發展，單結鈣鈦礦太陽能電池的認證效率已突破27.3%，而疊層太陽能電池更是達到了驚人的34.85%。然而，對於產業化應用而言，穩定性始終是橫亙在寬禁帶鈣鈦礦及疊層器件面前的一道鴻溝。

在實際的戶外應用中，光伏器件不僅要承受光照，還要經曆晝夜交替帶來的劇烈溫度波動。這種快速熱循環（Rapid Thermal Cycling）會在鈣鈦礦材料內部誘導相變和應變，嚴重破壞器件的結構穩定性。現有的國際電工委員會（IEC）標準測試程序通常要求較長的循環周期（3-6小時）和較低的溫度變化率（最高100°C/h），這種“慢速”測試往往無法捕捉到器件在真實工況或快速老化篩選中的失效機製。因此，科研界急需一種能夠模擬快速溫度變化（如10 °C/min）並結合光照環境的測試手段，以深入理解器件在光熱耦合應力下的退化行為。

2 核心方案

為了攻克這一難題，來自慕尼黑工業大學和卡爾斯魯厄理工學院（KIT）的研究團隊在Nature Communications上發表了一項重要研究。該工作設計了一套快速光熱循環測試系統，專門用於評估寬禁帶（1.68 eV）鈣鈦礦電池及鈣鈦礦/矽疊層電池的運行穩定性。

論文的核心測試方法包括：

(1) 快速光熱循環：定義了溫度變化率約為 10 °C/min 的嚴苛測試條件，溫度範圍覆蓋 5 °C 至 85 °C，每個循環周期為 15分鍾；

(2) 原位電學表征：在熱循環過程中，以 1分鍾 的間隔持續進行 J-V 掃描，實時監測開路電壓（Voc）、短路電流（Jsc）、填充因子（FF）和光電轉換效率（PCE）的變化；

(3) MPPT 跟蹤：對疊層電池進行最大功率點跟蹤，模擬實際工作狀態；

(4) 多環境耦合：將光照（AM 1.5 G）與快速溫度變化同步施加，模擬真實的戶外日/夜循環；

通過這套方法，研究者能夠捕捉到傳統靜態測試無法發現的“初始老化”階段，並利用同步輻射技術解析了溫度誘導的晶格應變與相變對器件性能的緻命影響。

圖1.太陽熱循環條件下器件性能的變化。a在快速太陽熱循環條件下，器件運行期間的實時GIWAXS測量示意圖。光伏參數隨時間與溫度的變化而變化（由灰色曲線表示，顯示在5至80°C之間的熱循環，每周期持續15分鍾，溫度變化率為約10°C/min）；b非常規化PCE與溫度隨時間的變化；c非常規化VOC與溫度隨時間的變化；d非常規化JSC與溫度隨時間的變化；e非常規化FF與溫度隨時間的變化。

3 實驗結果與分析

研究團隊利用上述快速測試方案，獲得了關於器件退化機製的深刻洞察，關鍵數據如下：

3.1 寬禁帶單結電池性能

在經過雙鈍化處理（3-F-PEAI和EDAI2）後，寬禁帶單結器件取得了24.31%的最高效率。然而，在快速光熱循環下，器件表現出明顯的兩階段退化特征：

(1) 初始老化階段：在測試初期，器件性能迅速下降，貢獻了超過 60% 的相對性能損失；

(2) 穩態退化階段：隨後進入與溫度波動相關的穩態退化。

3.2 疊層電池的優異熱穩定性

令人驚喜的是，當寬禁帶鈣鈦礦頂電池與矽底電池結合成疊層器件時，其熱穩定性顯著提升。

(1) 效率保持率：在超過 220分鍾 的快速光熱循環老化後，疊層電池仍保持了 94% 的初始性能；

(2) 冠軍效率：室溫下實現了 28.64% 的光電轉換效率。

3.3 關鍵物理機製

通過原位GIWAXS 和PL 測試，發現溫度變化率（10 °C/min）導緻的晶格應變（Strain）和相變（Phase Transition）是導緻FF和Voc損失的主要原因，而非單純的離子遷移。

4 產品介紹

PVLab

多通道光伏器件穩定性測量系統

PVLab是一款模塊化多通道太陽能電池穩定性測量儀，用於在光照、溫度、濕度或氣氛條件下開展長期老化與MPPT研究。系統支持多種穩定性工況並持續記錄器件性能變化。適用於光伏材料篩選、封裝分析、界面工程、失效變量對比和穩定性標準研究。鈣鈦礦光伏產業化要求穩定性測試從簡單存放老化轉向ISOS相關條件、MPPT、SPO、溫濕度應力和運行工況研究。PVLab支持六類穩定性測試及環境耦合。

4.1 技術特點

(1) 集成無負載老化、恒壓、恒流、MPP掃描、MPPT及穩態功率輸出SPO六類穩定性測試功能；

(2) 電壓範圍覆蓋±200V、電流範圍覆蓋±1000 mA，測量分辨率達到1 mV和1 μA；

(3) 溫度控製範圍覆蓋-20℃至150℃，濕度控製範圍覆蓋20%-95%RH，可耦合光照與氣氛環境；

(4) 支持任一子器件選擇接線、氮氣環境夾具與長期數據記錄，適配空氣敏感器件穩定性研究；

(5) 支持擴展1-256通道，MPPT采樣達到1 s級；支持配置大面積3A模擬燈、長壽命LED老化光源，支持ISOS-L/D/T/LC等測試標準；

(6) 溫度、濕度、氣氛與六種老化模式可組合使用，用於建立與具體材料和器件失效機製相匹配的老化方案。

4.2 產品優勢

(1) 多通道並行與多工況老化提升統計有效性，適合配方、封裝和界面工程的系統篩選；

(2) 模塊化環境耦合能力區別於單一固定工況平台，可隨穩定性研究標準演進；

(3) 自動測試和長期數據追溯降低人工值守負擔，適合持續數百至數千小時的實驗；

(4) 六類老化工況和環境耦合能力可隨研究問題調整，相比固定單工況條件，為新型光伏研究提供更全面的穩定性評估方案。

快速光熱循環測試表明，鈣鈦礦/矽疊層器件在220分鍾老化後仍保持94%初始性能，遠超單結。東譜科技PVLab系統支持1-256通道並行測試，MPPT秒級采樣，電壓±200V、電流±1000mA，分辨率達1mV/1μA。系統集成-20至150℃控溫、20-95%RH控濕及六類老化模式，適配ISOS標準協議。東譜科技為光伏穩定性研究構建完整的長期老化評估鏈條。

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