Perowskit-Solarzellen (PSCs) haben eine Leistungsumwandlungseffizienz (PCE) von bis zu26,95 %unter Standardtestbedingungen (STC). Der aktuelle Forschungsschwerpunkt hat sich von der Effizienzsteigerung aufVerbesserung der Skalierbarkeit und Stabilität. Basierend auf vier Jahren Outdoor-Daten aus Berlin zeigt diese Studie erhebliche saisonale Leistungsschwankungen bei PSCs:stabile Leistung im Sommer, aber erheblicher Rückgang im Winter (bis zu 30 %)Dieses Phänomen wird auf die kombinierten Auswirkungen mehrerer Faktoren zurückgeführt, darunter spektrale Variationen, Temperaturkoeffizienten, MPPT-Verluste und Metastabilitätseffekte. Maximum Power Point Tracking (MPPT)-Tests ermöglichen klimacharakterisierte Tests, um die Auswirkungen der Metastabilitätsdynamik genau zu quantifizieren.
Experimentelles Design
In Berlin (einer gemäßigten, strahlungsarmen Klimazone)Glas-Glas-gekapselte Pin-Perowskit-Zelle(Struktur: ITO | 2PACz | Cs₀.₁₅ FA₀.₈₅ PbI₂.₅₅ Br₀.₄₅ | C₆₀ | SnO₂ | Cu, Bandlücke 1,65 eV) wurde einer4-jähriges Freilandexperiment
Das Datenerfassungssystem zeichnete Spektral-, Temperatur- und Bestrahlungsdaten auf.5 Minuten, berechnete den durchschnittlichen täglichen PCE und testete die Zellen regelmäßig erneut unter STC-Bedingungen in Innenräumen.
Übersicht der Outdoor-Ergebnisse
PCE-Spitzen im Sommer: Keine Verschlechterung in den Jahren 1–2; kumulativer Rückgang von ≈2 % bis zum Jahr 4.
Winter-PCE-Tröge: Bereits30 % niedriger im ersten Winter, mit einem kumulativen Rückgang von Winter zu Winter von ≈40 % über vier Jahre.
STC-Daten für Innenräume: Lineare Degradation von 6%/Jahr, aber beeinflusst durch saisonale Faktoren, betrug die Degradation im Freien von Sommer zu Sommer nur 3%/Jahr, während die Degradation von Winter zu Winter erreichte9 %/Jahr.
Saisonale Einflussfaktoren
1. Spektrale Variationen
Spektrale Bedingungen sind ein entscheidender Faktor für die Leistung von PSCs. Außenspektren variieren je nach Jahreszeit und atmosphärischen Bedingungen, und PSCs reagieren aufgrund ihres engen spektralen Empfindlichkeitsbereichs (≈300–800 nm) empfindlicher auf spektrale Veränderungen. Diese Studie quantifizierte die Blaulicht- und Rotlichtanreicherung von Spektren mithilfe derDurchschnittliche Photonenenergie (APE)Die Ergebnisse zeigten, dass Sommerspektren mit blauem Licht angereichert sind, während Winterspektren mit rotem Licht angereichert sind, was zu einerStromdifferenz von bis zu 10 %bei identischer Bestrahlungsstärke.
2. Temperaturkoeffizient
Der Temperaturkoeffizient (γ) von PSCs ist typischerweise negativ, was bedeutet, dass die Leistung mit steigender Temperatur abnimmt. Mit zunehmendem Alter der Zellen wird der Temperaturkoeffizient des Füllfaktors (FF) jedoch positiv, was zubessere Leistung gealterter PSCs bei hohen SommertemperaturenDies steht in starkem Kontrast zu herkömmlichen Photovoltaiktechnologien (z. B. Silizium-Solarzellen).
3. JV-Hysterese und MPPT-Tracking-Verlust
JV-Hysterese ist ein häufiges Phänomen bei PSCs, das die Genauigkeit der Maximum Power Point (MPP)-Verfolgung beeinträchtigt. Experimente zeigten, dass die Hysterese bei Alterung und niedrigen Temperaturen deutlich zunimmt und die MPPT-Verfolgungsqualität beeinträchtigt. Bei5°C, die MPPT-Tracking-Spannungsschwankung überstieg 35%, was zu erheblichen Energieverlusten führt. Dieser Effekt ist im Winter besonders ausgeprägt und verringert die Energieabgabe der PSCs.
4. Perowskit-Metastabilitätseffekte
Die durch den Lichtsättigungseffekt (LSE) verursachte Metastabilität ist ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal von Perowskiten im Vergleich zu herkömmlicher Photovoltaik. Experimente zeigten, dass neue Zellen innerhalb von Minuten die Lichtsättigung erreichen, während gealterte Zellenüber 72 Stunden Dauerbeleuchtungzur Sättigung. Darüber hinaus beeinflusst die Temperatur die LSE erheblich. Bei niedrigen Wintertemperaturen und Lichtverhältnissen bleibt die LSE ungesättigt, was zu unzureichender Spannungsverstärkung und Leistungseinbußen führt. Dieser Effekt ist ein Hauptfaktor für die saisonale Leistung von PSCs.
Das Ausmaß der saisonalen Schwankungen bei Perowskit-Solarzellen hängt vom Klima und den Geräteeigenschaften ab. Im Vergleich zu Berlin weisen Regionen näher am Äquator geringere spektrale Veränderungen auf, wodurch die durch spektrale Verschiebungen verursachten Stromunterschiede reduziert werden. Zudem können Kälteverluste in wärmeren Klimazonen geringer sein. MPPT-Verluste durch Alterung und niedrige Temperaturen können sich jedoch in wärmeren Klimazonen verstärken. Die Metastabilität bleibt ein Schlüsselfaktor für die saisonale Leistung, insbesondere bei niedrigen Wintertemperaturen und Lichtverhältnissen, bei denen ungesättigte LSE zu Leistungseinbußen führen.
Die wichtigsten Erkenntnisse: Saisonale Schwankungen wirken sich erheblich auf die Leistung von Perowskit-Solarzellen aus. Im Winter sinkt die Effizienz aufgrund von Spektralverschiebungen, Temperatureffekten, MPPT-Verlusten und Metastabilität um bis zu 30 %. MPPT-Tests sind entscheidend, um diese Effekte zu quantifizieren und die Stabilität zu optimieren.
