自然光照變化在明暗循環中會誘導鈣鈦礦太陽能電池中發生不可逆的離子遷移，這對它們的長期戶外運行穩定性構成了巨大挑戰。

在此，南京航空航天大學郭萬林院士和趙曉明教授等人通過使用氣相沉積的多齒配體在鈣鈦礦表面隔離有缺陷的八面體結構來解決這一問題。表面八面體的隔離抑制了離子遷移到電荷傳輸層，并減少了表面離子缺陷，從而調節了在明暗循環過程中離子遷移的動力學。制造的785平方厘米的工業級鈣鈦礦太陽能組件實現了19.6%的光電轉換效率（PCE）。本文的組件展現出增強的日間穩定性，在50°C下經過101次明暗循環后，仍能保持其初始PCE的97%以上。此外，鈣鈦礦組件在嚴酷的夏季條件下進行了45天的戶外運行測試，期間保持了穩定的電力輸出，其穩定性與參考硅電池相當。

相關文章以“Vapor-assisted surface reconstruction enables outdoor-stable perovskite solar modules”為題發表在Science上！

研究背景

過去十年，鈣鈦礦太陽能電池在認證的功率轉換效率（PCE）方面取得了顯著進展，最高可達27%，接近商用硅基太陽能電池的水平。在制造成本上，鈣鈦礦太陽能電池預計成本約為晶體硅太陽能電池的一半。然而，它們的長期運行穩定性尚未達到光伏產品的要求，這給商業化帶來了挑戰。這一問題在工業規模的太陽能模塊中尤為突出，實現可擴展的穩定性仍然是一個巨大的挑戰。此外，大多數研究集中在實驗室規模的鈣鈦礦太陽能電池在恒定室內光照條件下的長期老化行為，但在該技術能夠實現商業化之前，解決工業規模鈣鈦礦太陽能模塊（PSMs）的戶外穩定性問題至關重要。

在運行條件下，鈣鈦礦太陽能電池經歷光暗周期，導致循環操作期間出現可逆和不可逆的性能損失。鈣鈦礦材料的固有軟離子晶體結構使得其離子鍵相對較弱，容易在晶格中形成離子缺陷。此外，由于離子遷移所需的活化能較低，這些缺陷在運行條件下容易移動，最終影響設備的使用壽命。

在鈣鈦礦太陽能電池中，可逆和不可逆的離子遷移都會發生，其中不可逆的離子遷移是由于移動離子在老化應力的共同作用下從鈣鈦礦層遷移到電荷傳輸層或電極。這種遷移可能導致設備性能的永久性損害。為了減少不可逆的離子遷移，小面積單元電池的主要策略包括鈍化表面缺陷以減少移動離子通道的數量，以及在界面處插入屏障層以抑制離子運動。研究表明，靠近鈣鈦礦表面的[PbI6]4?八面體通常比晶體內部的缺陷更多，這使得這些區域特別容易受到不可逆鹵素離子遷移的影響。對于大面積的鈣鈦礦太陽能電池，必須限制鈣鈦礦吸收層內的離子遷移。通過隔離缺陷八面體并同時通過重構鈣鈦礦表面結構來減少離子通道，可以提高鈣鈦礦太陽能模塊的戶外運行穩定性。

主要內容

本文通過將鈣鈦礦表面重構為零維（0D）結構，成功隔離了鈣鈦礦吸收層內的離子遷移。在這個結構中，[PbI6]4?八面體被氣相沉積的多齒配體隔開。這一改進不僅有效阻止了碘離子向電荷傳輸層的遷移，還減少了表面的離子缺陷，從而調節了光暗循環期間的離子遷移動力學。此外，這種氣相后處理技術有助于鈣鈦礦表面的大規模穩定化。通過表面八面體隔離策略，能夠制造出小面積單元電池（活性面積為0.16平方厘米）和大面積光電探測器（光圈面積為785平方厘米），其效率分別為25.3%和19.6%。

本文的太陽能模塊展示了增強的日間穩定性，預計T80壽命（即效率降至80%所需的時間）為2478個周期，這相當于在25°C的光照-黑暗循環下超過6.7年。令人鼓舞的是，在實際條件下戶外運行45天后，PSMs表現出與商用硅太陽能電池相當的穩定性，這證明了PSMs在實際應用中的可行性。

圖1：鈣鈦礦表面八面體的隔離

圖2：器械性能和穩定性。

圖3：長期戶外穩定性。

圖4：降解機制。

結論展望

綜上所述，本文開發了一種蒸汽輔助表面重建技術，能夠實現工業規模鈣鈦礦太陽能模塊的均勻穩定。通過隔離表面八面體結構，有效阻止了碘離子向電荷傳輸層遷移，減少了表面離子缺陷，從而在光照循環中最大限度地減少了不可逆退化。因此，我們的隔離太陽能模塊在25℃條件下，經過12小時光照-12小時黑暗循環后，T80壽命（即在特定條件下達到的最低性能水平）超過了6.7年。盡管如此，隨著進一步測試，其他未考慮的退化模式也可能出現。在夏季較為惡劣的戶外條件下，隔離模塊能夠在一夜之間恢復性能，并且其戶外穩定性與商用硅太陽能電池相當，顯示出滿足工業標準的潛力。預計這些發現不僅將加深對導致設備不可逆退化的移動離子缺陷機制的理解，還將促進能夠滿足實際應用需求的鈣鈦礦器件的發展。

文獻信息

Xiangnan Sun?, Wenda Shi?, Tianjun Liu, Jinzhan Cheng, Xin Wang, Peng Xu, Wei Zhang, Xiaoming Zhao*, Wanlin Guo*,Vapor-assisted surface reconstruction enables outdoor-stable perovskite solar modules,Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv4280

（來源：南京航空航天大學 版權屬原作者 謹致謝意）