全新视角Nat. Energy：揭秘导致钙钛矿太阳能电池运行稳定性下降的关键因素

全新视角Nat. Energy：揭秘导致钙钛矿太阳能电池运行稳定性下降的关键因素

一、【科学背景】

钙钛矿太阳能电池（PSCs）在取得显著成就的同时，在运行稳定性方面仍然存在许多问题，这限制了它的产业化发展。研究表明，金属卤化物钙钛矿中存在的移动离子已被证明会对PSCs的固有稳定性造成有害影响。尽管解决稳定性问题一直是钙钛矿研究人员的首要任务，但在某种程度上，学界仍然缺乏定量表征的试验方法分析移动离子引起的PSCs的降解损失，从而克服PSCs稳定性差的缺点。幸运的是，有研究确定了移动离子诱导的效率损失对器件性能会造成影响，并表明移动离子的存在会导致PSCs的效率损失。这些离子诱导器件性能损失的潜在机制是移动离子会向钙钛矿输运层界面移动，进而导致场屏蔽和电荷提取效率降低。在此基础上，需要进一步深入讨论离子诱导对PSCs稳定性的影响。

二、【创新成果】

近期，香港中文大学Martin Stolterfoht教授联合不同地区多个学校的科研工作者共同揭示了移动离子诱导的场屏蔽效应是导致PSCs降解的主要因素。研究人员确定了在外部压力存在的情况下，一系列不同钙钛矿太阳能电池的移动离子诱导的降解损失会对总降解损失造成关键影响。具体而言，研究人员使用不同扫描速度下的电流密度与电压进行测量，证明了稳定性损失与可移动离子的运动和移动离子密度（n_ION）的增加直接相关，而n_ION在钙钛矿太阳能电池的初始性能损失中占主导地位。增加的n_ION导致稳态功率转换效率（PCE）大幅下降，研究人员将这一结果归因于场屏蔽的增加。研究还表明，界面复合并不随着电池老化而增加，但开路电压（VOC）和准费米能级分裂（QFLS）之间的不匹配性越来越大，这也可以归因于接触区域中n_ION的增加。因此，钙钛矿太阳能电池的早期老化阶段由不断增加的n_ION主导。这项工作建立了移动离子在PSCs器件的降解过程中发挥作用的关键见解，为预测钙钛矿器件的长期稳定性提供了参考。

研究人员以钙钛矿主体材料Cs_0.05(FA_0.83MA_0.17)_0.95Pb(I_0.83Br_0.17)₃ 设计了钙钛矿电池，并研究了光照条件下，钙钛矿电池的降解性能。在光致老化过程中，如图1a所示，在不同的开路电压照射时间下，慢扫描速度下具有稳定的J-V曲线。图1b显示了不同的设备参数是如何随着老化时间变化的。在电池中，随着时间的推移，短路电流密度损失的增加主导了降解损失。

图1 光照下钙钛矿太阳能电池的降解；© The Author(s) 2024

图2 确定老化引起的三阳离子钙钛矿太阳能电池的离子损失；© The Author(s) 2024

如图2所示，移动离子的存在仍然会影响稳态功率转换效率，这取决于它们在整个装置和界面处的分布和积累。可以看出，性能损失在很大程度上与离子冻结稳态电流输出的急剧损失有关。稳态效率随着老化时间增加而显著下降，电池老化的主要损失机制在较慢的时间尺度上更为显著。

图3试验操作条件下的离子损失； © The Author(s) 2024

如图3所示，研究人员发现离子损失出现在更稳定的钙钛矿体系中，在跟踪稳定功率输出超过1630小时后，该体系的PCE下降到21%左右。值得注意的是，PCE在大约50小时后增加到23.5%，这意味着观察到的降解损失可归因于离子损失。

图4试验操作条件下的离子损失； © The Author(s) 2024

图4表明，增加的n_ION导致电池吸收层内部电场的屏蔽增强，导致电荷提取效率持续降低。离子损失增加的另一种可能解释是，钙钛矿/输运层界面的降解具有更高的复合速度。复合速度的增加导致稳态PCE降低，峰值迟滞增加。然而，与n_ION增加的情况相反，离子冻结PCE在快速扫描速度下也会下降。在经过细致的研究后，研究人员排除了界面复合速度增加的可能性后发现，移动离子密度（n_ION）的增加似乎可能是观察到的老化引起损失的根本原因。

图5老化引起的离子损失与离子密度的关系； © The Author(s) 2024

图5表明，随着照明时间的延长，外部测量电流大大增强。离子种类与卤化物空位一致，因此，这些测量将瞬态电荷提取与扫描速率相关的J-V结果联系起来。即使在光照的第一个小时内，n_ION也显著增加。随后的研究更进一步证实了n_ION随老化时间的增加而增加。

图6离子电流损耗的降解过程和原因； © The Author(s) 2024

研究人员表明，移动离子诱导的效率损失主导了早期降解损失，并且基于各种测量，将这些增强的离子损失归因于老化时离子密度的增加。图6的研究工作表明：(1) 短路电流密度和填充因子中的离子损失归因于移动离子运动引起的场筛选效应；(2) 开路电压和准费米能级分裂失配引起的损失，这可能也是由移动离子引起的损失；(3) 损失还来自于其他尚未确定的损失过程。

该研究证明了移动离子诱导的内部场屏蔽是钙钛矿太阳能电池性能下降的主要因素。通过高速扫描测量技术，能够区分离子移动引起的性能损失和其他因素导致的损失，为钙钛矿太阳能电池的稳定性评估提供了新方法。相关研究以“Ion-induced field screening as a dominant factor in perovskite solar cell operational stability”为题发表在国际顶级期刊Nature energy上。

三、【科学启迪】

综上所述，该工作研究了在不同外部压力下，移动离子对钙钛矿太阳能电池老化性能退化的影响，重点研究了在光致退化中，观察到的性能损失背后深层次的机制。研究人员揭示了一个关键的降解机制，作为内在的主要因素，即早期降解，这在以前没有被研究人员清楚地识别，即移动离子诱导的场屏蔽。这种降解损失似乎比在整体和界面处增加的陷阱辅助重组更重要。

文献链接：Ion-induced field screening as a dominant factor in perovskite solar cell operational stability，2024，https://doi.org/10.1038/s41560-024-01487-w）

本文由LWB供稿。