钙钛矿光伏电池及组件特性与针对性测试方案
一钙钛矿电池背景
1.1 钙钛矿结构
1.1 钙钛矿结构
钙钛矿狭义是指矿物CaTiO3，命名取自俄罗斯矿物学家Perovskite的名字，广义钙钛矿则是指具有钙钛矿结构类型的ABX3型化合物。钙钛矿晶体结构由共享的BX6八面体组成，A占据了每个晶胞单元中BX6八面体的空腔位置，其中A位离子为大半径的阳离子，B位阳离子为小半径的阳离子，X位阴离子则为卤素阴离子。
钙钛矿型晶体及电池结构
钙钛矿各层结构特点
1.2 叠层钙钛矿电池
凭借着能带间隙可调的特性，钙钛矿电池易与和晶硅电池技术进行叠层，进一步提升对光子的利用率，从而获得更高的光电转化效率，目前主流的钙钛矿电池叠层结构和叠层太阳能电池光吸收过程如下。
不同电路结构的叠层电池
叠层电池光吸收过程
二钙钛矿电性能测试
2.1 钙钛矿电池电学特征
2.2 钙钛矿电池光学特征
钙钛矿电池与晶硅电池的光谱响应存在一定差异，在AM1.5G的光谱下，钙钛矿的光谱失配因子偏差大于晶硅技术，IEC 60904-7中给出了光谱失配因子的计算公式：
其中，Eref(λ)为标准光谱分布；
Emeas(λ)为自然光/太阳模拟器实测光谱分布；
Sref(λ)为标准器件的光谱响应；
SDUT(λ)为标准条件下测试设备的光谱响应率。
钙钛矿与晶硅的光谱响应区间和量子效率曲线
积分区域在各个非零量的整个光谱范围内进行，当测试光源为太阳模拟器时，辐照度的修正百分比为
。
。 2.3 钙钛矿温度和辐照特性
PSC器件的电学性能并不如晶硅稳定，常规的光照预处理会使Si、CdTe和Cu(In,Ga)Se2等太阳能电池性能产生缓慢上升或下降，但在短时间内却对PSC的光电转化效率产生显著影响。钙钛矿电池光照处理前后的EQE曲线会出现明显变化。
研究发现钙钛矿电池的光浸泡效应与持续光照引起的晶格均匀膨胀密切有关，这种膨胀作用能够有效地释放局域晶格的张力，降低界面处的能垒，从而达到光提升伏器件的光电转换效率。基于无机钙钛矿的相关研究表明，光照有助于激发卤离子的迁移，实现空穴缺陷的钝化。此外，伴随着温度的升高，达到稳态的时间明显缩短，而光浸泡后效率的增强，归因于内部缺陷密度的降低。
光照处理前后钙钛矿电池的EQE曲线功钙钛矿电池稳定后随温度变化曲线
2.4 电性能测试方案
A）最大功率跟踪法（MPPT）
适用于钙钛矿器件稳定性较差、迟滞因子较大的情况，在稳态光源下，使用IV特性采集器连续采集组件电压/电流信号，执行慢速IV扫描，确定正向扫描和反向扫描的功率差异，通过变电压扫描步长来提升扫描效率和结果准确度，当正向扫描和反向扫描的功率差异较小时，视为得到了稳定扫描的结果。
B）瞬态测试法
适用于钙钛矿器件稳定性较好、迟滞因子较小的情况，在瞬态光源下，使用与晶硅组件相同的测试方法，为获得精确的测试结果，需要结合非线性扫描。检测中心的halm cetisPV-Moduletest4可调节电压扫描曲线，在最大功率点附近采集更多数据，并可结合迟滞测试算法，得到准确稳定的IV测试结果。
C）十点准稳态测试法当被测样品具有较高的稳定性，可在一系列偏置电压点分别进行独立的电流测量，获得较为稳定的电流值，通过对一系列测试结果的拟合可获得被测样品的I-V特性。
a) 快速测试取得Voc、Isc的信息进而设定测试范围；
b) 设置扫描方向、电压范围、扫描间隔电压和扫描间隔时间等，执行正扫和反扫测试，记录测得非稳态开路电压VTBD,oc，非稳态短路电流 ITBD,sc，非稳态最大输出功率 PTBD,max (包括VTBD,max与 ITBD,max)等参数。
c) 根据快速测试的得到的被测光伏电池非稳态开路电压值，通过持续检测电流信号（每隔1s取一次测量值）直至开路电压的电压值的相对变化在 0.1%以内，确定并记录最后一次测量的电压值为待测光伏电池的准稳态开路电压值（Vs,oc）；
d) 选取零电压（短路）点至开路电压点中的8处(共10处测量点)偏置电压点，偏置电压点选取的推荐如下：
1) 零电压（短路）点（Vs,sc）、准稳态开路电压点（Vs,oc）、步骤b）测得的准稳态最大功率点电压（VTBD,max）；
2) 在零电压点与最大功率点之间取3处电压点分别为0.50×VTBD,max、0.80×VTBD,max、0.90×VTBD,max；
3) 准稳态开路电压点与最大功率点之间取 4 处电压点分别为VTBD,max、0.15×Vs,oc+0.85×VTBD,max、0.45×Vs,oc+0.55×VTBD,max、0.60×Vs,oc+0.40×VTBD,max、0.80×Vs,oc+0.20×VTBD,max。
e) 记录上述8处偏置电压的电流值（Vs,oc与 Vs,sc已测），电流波动在0.1%以内时视为稳定；
f) 结合所有测试数据，拟合钙钛矿器件的电流-电压特性曲线。
十点测试法示例
三钙钛矿耐候性测试3.1 不同环境下的失效机理
钙钛矿太阳能电池在环境中并不稳定，长期暴露在水汽、氧气、光照的单一或者协同影响下，钙钛矿薄膜发生公式(1)~(4)的可逆分解反应，造成电池效率衰减甚至失效。公式(1)逆向反应是钙钛矿材料的合成反应（可以通过旋涂法、共蒸汽沉积、蒸汽辅助沉积等方法制得）。
正向反应为碘化铅甲胺的水解反应，分解产物碘化甲胺在氧气/光照条件下又进行公式(3)可逆反应，其中液态的HI在氧气存在时被氧化成固体碘单质，同时在光照下通过光化学反应生成氢气和碘单质。公式(3)和公式(4)可逆反应在氧气和光照条件下不断地消耗碘化氢的量，使公式(2)可逆反应不断向右进行，进而消耗碘化甲胺的量，促使公式(1)不断朝正向进行，最终碘化铅甲胺逐渐被分解。
钙钛矿太阳能电池稳定性的影响因素
基于影响钙钛矿太阳能电池稳定性的因素，稳定性考察方向主要分为热稳定性、光稳定性、湿稳定性、电势稳定性和复合稳定性。
a）热稳定性：与热相关的降解会影响退火、器件封装、测试和操作等器件制造过程。例如，CH3NH3PbI3在100℃下加热20min就会分解为PbI2、CH3NH2和HI。不同温度下，钙钛矿所形成的的晶体结构不网，相的转变会改变钙钛矿材料的带隙结构，进而影响材料的稳定性。大多数钙钛矿太阳电池中常用的材料即使在封装后的器件中也表现出对光和热的外部降解因素的不稳定性。
b）光稳定性：在光照下，钙钛矿光敏层会因为光照持续作用加速载流子运动，过量的载流子会进一步活化缺陷，钙钛矿界面上产生了大量的电子重组，引起钙钛矿材料的分解、材料的相变和材料内部的相分离等，从而导致器件性能下降。。此外，在spiro-OMeTAD和TBP等HTL和ETL中也存在光致降解现象，这也是导致钙钛矿太阳电池不稳定的原因之一。
光稳定性失效机理
c）湿稳定性：水分是影响钙钛矿太阳电池器件稳定性的一个关键因素，在水分降解机制中，水分子破坏钙钛矿结构中的氢键，并通过形成新的氢键形成水合化合物从而导致钙钛矿薄膜的降解。在实际环境中，通过封装可以保护钙钛矿太阳电池免受水分的侵蚀。
d）电势稳定性：与常规的晶体硅光伏组件类似，钙钛矿器件在面对电势差时也会出现不稳定性，这主要由于钙钛矿材料具有明显的离子特征，在外加电势的情况下，容易发生离子迁移，进而导致点缺陷或内部杂质的聚集，最终改变钙钛矿薄膜的电学性质。
电势稳定性失效机理
e）复合稳定性：在复合环境中，一方面上述这些环境条件的叠加将会加速钙钛矿材料的老化，产生比单一环境更加严重的降解；另一方面复合环境更贴近于实际使用环境，能够有效表征钙钛矿材料的复合稳定性。
3.2 针对性耐候试验
目前钙钛矿材料的稳定性较差，其使用寿命还不足以和晶硅组件的25年相媲美，基于钙钛矿电池及组件的耐候性特征和失效机理。
作为一种新兴的太阳能电池技术，钙钛矿电池技术有着更高的理论光电转换效率，在钙钛矿太阳电池技术的研究进展中，研究的重点主要集中在提升太阳电池的光电转换效率和提升钙钛矿材料的稳定性。
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