Advanced Energy Materials:室温环境中熔化封装实现钙钛矿太阳能电池1000小时的工作稳定性

效率、稳定性、成本是解决钙钛矿太阳能电池商业化的三大核心问题。相对于高效率和低成本的实现,稳定性是制约其走向实际应用的最大难题。目前,包括钝化、成分调控、维度调控、晶界修饰、功能材料的应用等化学手段被用来解决离子迁移、热分解、相分离、吸水性等钙钛矿材料的本征稳定性问题。然而,由于钙钛矿的离子晶体和吸水特性,在环境中工作会发生迅速分解。因此,封装是进一步提高钙钛矿太阳能电池环境稳定性必不可少的因素。目前,成熟的封装技术主要包括紫外胶固化和热固化两种方式。研究表明,紫外胶在紫外灯照射的固化过程中会有少量的化学溶剂挥发从而加速钙钛矿材料的分解。因此,紫外胶固化的方式需要避免紫外胶与钙钛矿材料的直接接触。除此之外,紫外胶固化的过程通常需要在真空环境或者惰性手套箱氛围中进行,这与商业化应用的要求背道而驰。热固化作为硅太阳能电池领域成熟的封装技术,依然不能满足钙钛矿电池领域的要求。热固化方式通常需要在200℃左右进行20分钟左右的加热处理,这会导致钙钛矿的材料和传输层材料的热分解。

在钙钛矿太阳能电池领域,封装材料需要满足以下四个方面的要求:1、化学惰性,在封装过程中可以和钙钛矿器件直接接触从而减少钙钛矿成分挥发的空间。2、无溶剂,封装前后均不产生分解钙钛矿和传输层材料或者破坏器件结构的溶剂。3、低温过程,封装过程保持在150℃以内,钙钛矿和空穴传输材料在150℃以上会发生离子迁移或者结构破坏。4、水蒸气透过率低,水蒸气透过率低是避免水氧渗透,保持器件长期工作环境稳定的重要指标。除此之外,成本和环境加工性也是批量应用需要考虑的因素。

北京理工大学材料学院陈棋课题组将石蜡无溶剂低温熔化的特性应用于钙钛矿太阳能电池封装, 实现了接近于商业化要求的室温环境中进行封装的技术,封装后的器件获得了1000小时的工作稳定性。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201902472)上。

将石蜡用于钙钛矿太阳能电池封装领域主要可以实现三个优点:1、石蜡熔点低于80℃,将石蜡作为封装剂可以实现低于100℃的低温封装过程,避免高温对器件产生破坏作用。2、石蜡易熔易凝固的特性可以实现室温环境中的封装过程,避免不利于规模化的真空环境或者惰性手套箱环境封装。3、石蜡无溶剂惰性性质,可以实现石蜡与封装器件的直接接触,减少钙钛矿挥发的空间。采用石蜡封装的技术,钙钛矿薄膜分解速率的降低主要是由于隔绝水氧从而抑制了钙钛矿相分离和空位缺陷的产生。此项研究可以为钙钛矿太阳能电池封装技术及其实用化提供新的思路与解决方案。