太陽光模擬器在鈣鈦礦太陽能電池研究方向的應用

　　研究背景

　　得益於鈣鈦礦薄膜優異的光電性能，鈣鈦礦薄膜太陽電池的光電轉化效率（PCE）由3.8%快速上升到22.1%。 然而，鈣鈦礦薄膜的穩定性問題一直沒有得到有效解決，成為該類電池商業化進程中的主要障礙。隨著相關研究工作的不斷開展，研究者在確定鈣鈦礦薄膜降解誘發因素方面取得了許多成果，但是對於其電池性能下降的動態過程認識卻相對匱乏。對於該性能衰減過程的研究將有助於提高和改善鈣鈦礦薄膜電池的長期穩定性， 增強其實用價值。

　　深圳大學屈軍樂教授課題組通過監控短路電流（J_sc）變化情況來研究電池性能退化動力學（D_rate），經過光照IV測試後，發現退化動力學從約0.02mA cm^-2·min^-1變化到約0.35mA cm^-2·min^-1

　　器件和表徵

　　採用旋塗法製備未封裝的平面結構鈣鈦礦電池，電池結構和形態如下圖所示。未封裝的鈣鈦礦電池（PSC_s）的光電流-電壓（IV曲線），在暗條件下器件放置在大氣環境中（相對溼度65%）15分鐘（一次測試）和30分鐘（第二次測試），清楚的顯示出性能如圖1c所示，在一次測試中，PCS表現出了出色的光電性能（PCE=16%）（J_sc）約為21.4 mAcm^-2，V_oc為0.98 V，填充因子（FF）約為77%，但是當放置時間到30分鐘後，J_sc、Voc和FF分別降至15.4mAcm^-2、0.96 V和約70％，相當於第二次測試中將近37%的光電轉換效率損失。

　　為了進一步研究PCS降解動力學，通過IPCE積分短路電流密度值（J_sc），評估性能下降動力學（D_rate），下圖顯示了未封裝的PSC_s光照之前和之後的IPCE曲線（放置時間5-15分鐘）。發現 400-500nm和760nm會明顯下降（＜15min），如圖2a中的插圖1和2所示，一般鈣鈦礦正面對短波長敏感（藍色），背面對長波長敏感（紅色），這是由於光的入射深度，水分擴散到PSC_s中誘導和降解都起始於轉換層和鈣鈦礦薄膜，這樣將增加界面中的缺陷數量，從而導致IPCE值下降。

　　為了了解降解加速機理，從物理和化學的角度對光IV試驗前後的器件進行了特性分析。下圖中顯示了光IV之前和之後的PSC_s的暗IV曲線，並通過兩二極體模型進行了數據擬合

　　其中q，k，T，RS和Rsh分別是電荷，玻爾茲曼常數，絕溫度，串聯電阻和並聯電阻，

　　當偏壓較小時（V），主要是分流影響暗電流（J_dark），但隨著偏壓加大，由於太陽電池二極體特性，複合和擴散的電流主要控制暗電流（J_dark）。光照IV測試後，J_rec和n₂在光照IV測試後增加，較高的J_rec和n₂值表明複合增加了缺陷密度，複合不僅是增加了器件的缺陷態，還形成了局部缺陷。J_diff值光照前後器件在一個數量級，由於局部缺陷加強的複合可能是造成PSC_s在光照IV測試後電流損失的重要原因。

　　總結

　　深圳大學屈軍樂教授課題組深入研究研究鈣鈦礦電池降解機理，通過研究短路電流變化率的實驗數據表明，加速降解過程主要是水分誘發的水化作用和碘離子遷移。並採用三步實驗進一步解釋其降解機理，提出降解與水分和遷移速率有關，遷移的碘離子增強了水化進程，同時會快速形成H₂O和O₂快速擴散通道，從而導致鈣鈦礦薄膜快速分解並增加缺陷態密度。當PCBM受到遷移碘離子損害時，擴散的O₂會促進降解，這些結果表明減小遷移離子數量，有助於防止鈣鈦礦電池的降解。該實驗通過積分短路電流的變化速率研究性能下降的動態過程，有助於提高和改善鈣鈦礦薄膜電池的長期穩定性，增強實用價值。

　　這一成果近期發表在Journal of Power Sources上，文章名「Light-current-induced acceleration of degradation of methylammonium lead iodide perovskite solar cells」

　　該文章是由深圳大學屈軍樂教授課題組完成，

　　本研究採用的是北京卓立漢光儀器有限公司 「Sirius」系列太陽光模擬器和搭建的IPCE系統，如需了解該產品，歡迎諮詢我司。

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