应用分享｜关于钙钛矿电池中PID测试的新研究

应用背景 

该文章翻译于Fraunhofer CSP和Diagnostics and Metrology Solar Cells division等机构共同研究的工作。

电势诱导衰减（PID效应）普遍存在于晶体硅太阳能电池中，通常是由钠离子产生分流效应引起的，传统太阳能电池已经开发出标准的PID测试条件。利用Freiburg Instruments开发的PIDcon设备，我们研究了标准化PID测试程序是否适用于各种结构和成分的钙钛矿太阳能电池，结果发现尽管钙钛矿材料与硅基电池结构有明显差异，但PID测试结果显示了它们对PID效应的抗性能力，表明标准化PID测试对钙钛矿太阳能电池仍有检测效果，这对于开发光伏（PV）模块至关重要。

分析过程 

选用Fraunhofer ISE（样本A）和Saule Technologies（样本B）的两组不同样本，来解决标准化测试是否能预测钙钛矿模块的长期稳定性，它们的成分和结构有很大差异，如图1和图2所示。

图 1.示意图显示 (a) 钙钛矿-硅串联模块的各层（来自ISE），其中顶部电池为钙钛矿，底部电池由硅异质结制成，(b) 模块的封装结构，以及 (c) 模块的实际图片

图 2.（a）钙钛矿模块层示意图（来自Saule），（b）模块的实际图片。

在本研究中，利用Freiburg Instruments开发的PIDcon Bifacial设备进行标准PID测试，并使用Sinus 220 Wavelabs仪器对两种模块的电学特性进行分析。表1列出了PIDcon Bifacial的技术规格，图3显示了测试顺序。

图3.测试序列图。

数据分析 

我们评估了两组样品初始阶段、PID测试1小时后和PID测试3小时后模块的情况。这些值已根据样品的Voc和Isc进行归一化处理。无论电压偏置极性如何，在PID测试的一个小时后，电池的填充因子(FF)都会明显上升。正PID测试在接下来的三个小时内保持较高的FF水平，但负PID测试会略微降低FF值。PID测试之前，“F”类型的样品平均FF为64.0%。PID测试后，FF略有下降，约为1.1%，Voc则增加约2.6%。PID测试后，“O”类型的样品FF明显增加，约为2.5%。

图 4. (a) 正PID应力(1kV, 60°C)下Pero-Si-Tandem模块上的cell_4的J-V曲线，(b)负PID应力(-1 kV, 60°C)下同一模块上的cell_4的J-V曲线。在电压偏置极性不同的PID测试之间，将样品储存在黑暗的氮气盒中。

图 5.两个不同样品 (a)“F”和 (b)“O”(样品组B，不同的前体成分)在PID测试(1 kV、60°C、4小时)之前和之后的J-V曲线。

实验结论 

该实验表明，标准化PID测试可成功地应用于钙钛矿太阳能电池的检测，并揭示了对应力条件对电池填充因子的一系列响应。通过改变电压偏置的极性可成功区分了温度引起的效应和电压引起的效应。这些发现强调需要进一步研究以优化测试方法并减轻PSC中潜在的衰减机制。通过对钙钛矿太阳能电池进行PID标准化测试可以不仅有助于评估电池的长期可靠性、揭示性能衰减机制、优化设计和封装材料选择，还能推动技术进步并保障光伏系统的整体性能。