钙钛矿太阳能电池的封装研究

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在新一代光伏电池中,钙钛矿太阳能电池以低廉的生产成本以及极高的能量转换效率脱颖而出,占据了光伏领域研究者们的视野。然而,在走向实际应用的过程中,钙钛矿太阳能电池的长期稳定性仍存在较大的问题。为了谋求更好的未来发展并尽快实现产业化,必须突破钙钛矿太阳能电池的稳定性瓶颈。改善电池的本征稳定性和非本征稳定性是实现电池更长使用寿命的两种主要途径。在改善太阳能电池的本征稳定性方面,许多研究性论文提出,通过对钙钛矿材料进行掺杂、钝化、界面修饰和维度工程等方法进行改善。而仅针对钙钛矿本征稳定性的改善并不能完全解决稳定性问题,需要同时探究提高非本征稳定性的措施。太阳能电池的封装可以隔绝外界水氧,并且抑制钙钛矿分解产物的溢出,是同时改善钙钛矿太阳能电池本征和非本征稳定性的重要手段。因此,本论文基于平面反式钙钛矿太阳能电池,通过对封装材料和封装工艺的研究,在保证器件效率无任何损失的前提下,提高了钙钛矿太阳能电池的稳定性。主要研究内容包括:(1)采用低温气相沉积有机-无机薄膜多层堆栈的封装方式改善钙钛矿太阳能电池的稳定性。开发了一种基于聚氯代对二甲苯(Parylene C)/氟化镁/三氧化二铝结构的复合封装层,其中各层分别通过化学气相沉积、真空热蒸镀和原子层沉积的方式成膜。对Parylene C封装层的沉积参数及复合封装层的重复堆栈次数进行了对比优化,以实现最佳封装效果。对封装后的钙钛矿薄膜进行老化测试,通过紫外-可见吸收光谱、X射线衍射谱图、稳态荧光光谱及半原位光致发光二维扫描探究了复合封装层对钙钛矿薄膜的保护能力,及其对钙钛矿薄膜耐光、耐热、耐湿度稳定性的改善。结果表明通过低温气相沉积的复合封装层,完全不损伤器件的初始效率,且可以有效提高器件的湿热稳定性和光照稳定性,延长器件的工作寿命。(2)采用了点胶镀膜的方法,制备低温固化的聚二甲基硅氧烷(PDMS)缓冲层,防止热压对钙钛矿活性层的损伤,进一步通过玻璃盖板热压热熔胶膜进行热熔胶紧密贴合的双玻封装。这种混合杂化盖板封装工艺,与工业化成熟的晶硅和薄膜太阳能电池封装工艺相容性好,可操作性强。PDMS的低温固化过程对钙钛矿活性层没有化学侵蚀,通过使用该膜作为缓冲层,可以避免在热熔胶热压过程中热熔胶与电池活性层直接接触,避免了常规热压封装带来的效率损失。研究结果表明,这种PDMS缓冲层在长期光照或双85(85℃、85%RH)加速老化试验过程中可以稳定存在,没有引发与钙钛矿活性层的不良化学反应。对上述混合杂化盖板封装的钙钛矿薄膜进行光热、泡水及双85老化测试,研究结果表明这种封装方式可以有效提高薄膜和电池器件的稳定性。
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