钙钛矿如何“稳”中取胜？且看极电光能破局之术

DT半导体材料 2024-06-06 21:27

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一直以来，稳定性是制约钙钛矿光伏技术商业化的关键因素。为了验证钙钛矿组件的稳定性，头部企业率先展开相关测试。2023年，极电光能1.2m×0.6m的钙钛矿组件产品通过了国际权威机构TÜV-SUD的IEC61215、61730全套序列测试认证。众所周知，IEC61215、61730系列标准是行业公认的光伏组件安全性及可靠性评估的国际标准，是光伏组件进入市场的必备通行证。该标准模拟光伏组件户外25年运行期间可能经受的高低温、光辐照（包括紫外辐照）、湿热、湿冻、高电压、长时间热斑、各种机械载荷等极端外部环境以及上述各因素的联合作用等，因此，通过这一测试，本身就说明光伏组件稳定性和安全性已经达到了较高的水平。

IEC 61215测试序列示意图

IEC 61730测试序列示意图

极电光能1.2m×0.6m钙钛矿组件IEC认证证书

为了进一步验证产品稳定性，企业还会展开更严格的“强化版IEC61215测试”，即对IEC61215中的关键测试项DH1000、TC200进行加严测试，延长两个测试序列的测试时间和周期，这是晶硅光伏行业中产品性能测试的常用手段。极电光能对所产出的钙钛矿组件进行了DH2000、TC400测试（即比IEC61215标准加严一倍）。

极电光能钙钛矿组件85℃/85RH%高温高湿老化2004h衰减4.74%

极电光能钙钛矿组件-40℃/85℃温度循环老化400次衰减1.46%

结果表明，极电光能生产的钙钛矿组件能够通过上述加严测试，测试后功率衰退分别为4.74%和1.46%，均低于标准规定的≤5%的判定标准。

钙钛矿材料的特性决定了钙钛矿组件的衰减机制与晶硅组件不尽相同。首先，钙钛矿是一种离子晶体，本身“软晶格”的属性，使其在高温、光照、紫外等外界环境条件的诱导下，易于发生离子迁移，甚至材料降解；其次在组件结构中，钙钛矿膜层表面往往存在较多的缺陷，这些缺陷会导致与功能膜层之间的界面复合，从而影响组件的长期工作稳定性。正因为钙钛矿组件有着特殊的衰减机制，除IEC标准外，采用更具针对性的老化测试项目，例如紫外老化测试和光热联合老化测试，对表征和提升钙钛矿组件的稳定性十分关键。

因此，除通过IEC各项测试外，借鉴国际标准化组织（ISO）制定的International Summit on Organic Photovoltaic Stability (ISOS)协议，参照ISOS-L条款进行了“光热联合老化测试”，即在一个标准太阳下（AM1.5光谱，辐照强度1KW/m2），同时附加60℃温度，对钙钛矿组件进行联合加速老化。

极电光能钙钛矿组件在一个标准太阳及60℃联动老化2304h无衰减

结果显示，经过2304小时的老化，组件功率没有衰减。此外，内部还对钙钛矿组件进行了高剂量紫外辐照加速老化测试。

极电光能钙钛矿组件UV辐照104kWh衰减4.79%

经104 kWh的紫外辐照，组件功率衰减仅为4.79%。上述两项光热联合老化以及紫外老化测试结果表明，极电光能钙钛矿组件产品可耐受高温、高湿等苛刻环境条件，并且在户外光、热综合环境作用下，同样具有优异的长期稳定性及可靠性。

户外实证是对光伏产品进行稳定性与可靠性检验的最直接手段。极电光能去年3月搭建了钙钛矿户外实证电站，目前已运行了13个月。运行期间对组件功率进行定期测试，结果显示，组件功率没有衰减，反而略有提升。

极电光能钙钛矿组件户外电站运行13个月无衰减

钙钛矿组件寿命到底能不能达到25年或者更长？实际上，学界已有很多的实验数据的为这一问题做出了解答。比如，2022年，Science上发表了一篇关于钙钛矿电池稳定性的文章（Z. Zhao et al, Science,10.1126/science.abn5679(2022）。作者通过界面钝化等手段提升钙钛矿太阳电池的稳定性，并对钙钛矿太阳电池在35-110°C、65%相对湿度、1200W/m2的辐照下（1.2sun/35-110°C/65%RH）进行加速老化。结果显示，当温度为35°C时，老化3531小时后无任何衰退；随着老化温度的升高，可以观察到电池效率的衰减，温度越高衰减越快。当温度为110°C时老化2100小时，效率衰退20%（如下图所示）。下图同时展示了不同老化温度下，功率保持80%的时间（T80寿命）。

文献报道的钙钛矿太阳电池在光/湿/热联合作用下的衰减曲线和T80寿命

根据上述数据，可以推算出钙钛矿组件在户外实际应用时的寿命。在喀什地区光伏组件在户外电站上全年的工作温度（即有光照时段的组件温度）在0-45°C之间，绝大部分在35°C以下。考虑到喀什地区年辐照量约为1850kWh/m2，那么可以推算出，钙钛矿电池如果全年工作在35°C，其T80=51,000小时，相当于51000×1.2/1800=33年寿命。由此可见，大面积钙钛矿组件产品寿命达到甚至超过25年是可以实现的。

为持续提升钙钛矿组件稳定性，极电光能开发了“四位一体”的稳定性成套解决方案。

首先通过调控钙钛矿结晶过程和添加剂/钝化剂，降低材料中的缺陷密度、抑制光热作用下Pb-I键的破坏、锚定易迁移的离子，从而有效降低可迁移离子数量并阻止离子迁移。
其次，通过开发能级更匹配的功能层以及界面缓冲层材料，抑制界面缺陷及复合，进一步阻止离子的迁移，尤其是杜绝离子跨膜层迁移。
再次，开发了功能膜层无损沉积技术，做到在钙钛矿膜层上制备其它膜层时，不对下面的各膜层造成损害。
最后开发激光修复技术，钝化激光划刻热效应形成的新缺陷。上述四项技术综合应用，有效提升了组件的长期稳定性与可靠性。

综上，极电光能通过不断地技术进步，使得组件的稳定性持续提升。同时，搭建了基于IEC标准、ISOS标准、及户外实证等“三维一体”的长期稳定性测试验证体系，为钙钛矿组件的商业化展开了大量开拓性工作。

作为一家致力于钙钛矿技术产业化的高科技企业，极电光能一直注重技术研发和产业创新，持续推进科技成果的转化应用。未来将继续秉持“奋斗、创新、共赢”的核心价值理念，持续加强产品力打造，以更优质的钙钛矿光伏产品助推能源的可持续发展。

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