虽然钙钛矿型太阳能电池的能量转换效率已经显著提高，但耐久性限制了其在商业化中应用的可能性。近日，澳大利亚新南威尔士大学的Anita W. Y. Ho-Baillie教授和Lei Shi（共同通讯作者）首次使用气相色谱-质谱（GC-MS）揭示了有机杂化钙钛矿在热应力下分解的特征性挥发性产物及其途径。另外，使用GC-MS来确认低成本的聚异丁烯(合成橡胶)基或聚烯烃基聚合物-玻璃堆叠压力密封封装策略可有效抑制钙钛矿放气，该过程导致其分解。使用这种封装方案，包含多阳离子多卤化物钙钛矿太阳能电池的CH3NH3（MA）经受了超过1800小时的湿热测试和75个周期的湿度冻结试验，首次超过了国际电工委员会关于这类光电器件的热和湿的测试标准（IEC61215：2016标准）的要求。相关论文以题为“Gas chromatography-mass spectrometry analyses of encapsulated stable perovskite solar cells”发表在Science上。

众所周知，卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）在功率转换效率（PCE）上有了很大的提高，仅在10年内就从3.8%提高到25.2%。再加上其低制造成本，PSC技术作为独立的钙钛矿电池是非常有前途。但是，要使PSC在商业上可行，就必须能够抵抗水分，热量和光等长期的环境压力。近年来，研究者已经开发了防潮技术，如：环氧树脂，丁基橡胶，陶瓷薄膜和二元化合物，它们可以有效地将钙钛矿和有机太阳能电池与高湿度环境隔离开。改变电池设计和材料选择以改善湿度和热稳定性的其他策略包括改变三维（3D）钙钛矿成分，应用2D钙钛矿材料以及使用替代的电子/空穴传输材料。改善PSC的热稳定性的一种策略是抑制钙钛矿材料的应力诱导气态分解。

尽管已报告的大部分PSC稳定性研究都是在85°C下进行的，但实际室外条件下的光伏模块必须能够承受湿气侵入和极端温度的双重影响。此类模块必须能够经受住这些测试，并且效率的相对损失小于5％。因此，潮湿冻结测试结合了湿热循环和热循环，对太阳能电池及其封装施加了最严酷的压力。例如，封装内进入的水分将在冷冻过程中固化，随后使封装剂分层。温度循环可促进钙钛矿的分解，而钙钛矿本身可加速分解反应。因此，钙钛矿材料的包封或不稳定性的弱点很可能通过“湿度冻结”测试得以揭示。在之前的研究中，采用基于聚异丁烯（PIB）的聚合物“毯盖”封装方案，在潮湿的环境中存活了500小时而没有降解。

在本文中，作者开发了一种改进的封装顺序，同时防止了湿气/空气进入装置，并抑制了挥发性有机气体从混合钙钛矿的释放。此外，结合气相色谱-质谱分析监测钙钛矿和前驱体组件中析出的气体，这对于确定和实施最佳封装策略至关重要。更加重要的是，除了这种封装方法的简单性之外，作者还证明了开发用于PSC的低成本封装技术的可行性，与形成保护性屏障的技术难度更大且成本更高的工艺形成对比。


图1.用于IEC 61215：2016湿热和热循环试验的太阳能电池


图2. 基于IEC61215：2016测试的结果证明包装方案的有效性



图3. 钙钛矿前驱体粉末的特征分解产物


图4.GC-MS测量未封装结构和封装结构电池

图5.未封装测试和封装测试电池的特征分解产物

总而言之，作者的工作表明，用简单低成本的聚异丁烯或聚烯烃聚合物-玻璃组合封装的有机内硅钙钛矿太阳能电池具有优异的耐久性，其性能指标超过了IEC61215:2016湿热和湿冻测试的要求。使用GC-MS，确定了单一、混合阳离子和混合卤化物钙钛矿前驱体材料的分解产物。在已识别的特征分解产物如CH3I、CH3Br和NH3的基础上，提出了MAI、FAI、MABr、混合阳离子和混合卤化物钙钛矿前体的分解途径，包括它们的二次分解反应。

 原标题：钙钛矿太阳能电池再次登上《Science》正刊