全新視角Nat. Energy：揭秘導致鈣鈦礦太陽能電池運行穩定性下降的關鍵因素

全新視角Nat. Energy：揭秘導致鈣鈦礦太陽能電池運行穩定性下降的關鍵因素

一、【科學背景】

鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）在取得顯著成就的同時，在運行穩定性方面仍然存在許多問題，這限制了它的產業化發展。研究表明，金屬鹵化物鈣鈦礦中存在的移動離子已被證明會對PSCs的固有穩定性造成有害影響。盡管解決穩定性問題一直是鈣鈦礦研究人員的首要任務，但在某種程度上，學界仍然缺乏定量表征的試驗方法分析移動離子引起的PSCs的降解損失，從而克服PSCs穩定性差的缺點。幸運的是，有研究確定了移動離子誘導的效率損失對器件性能會造成影響，并表明移動離子的存在會導致PSCs的效率損失。這些離子誘導器件性能損失的潛在機制是移動離子會向鈣鈦礦輸運層界面移動，進而導致場屏蔽和電荷提取效率降低。在此基礎上，需要進一步深入討論離子誘導對PSCs穩定性的影響。

二、【創新成果】

近期，香港中文大學Martin Stolterfoht教授聯合不同地區多個學校的科研工作者共同揭示了移動離子誘導的場屏蔽效應是導致PSCs降解的主要因素。研究人員確定了在外部壓力存在的情況下，一系列不同鈣鈦礦太陽能電池的移動離子誘導的降解損失會對總降解損失造成關鍵影響。具體而言，研究人員使用不同掃描速度下的電流密度與電壓進行測量，證明了穩定性損失與可移動離子的運動和移動離子密度（n_ION）的增加直接相關，而n_ION在鈣鈦礦太陽能電池的初始性能損失中占主導地位。增加的n_ION導致穩態功率轉換效率（PCE）大幅下降，研究人員將這一結果歸因于場屏蔽的增加。研究還表明，界面復合并不隨著電池老化而增加，但開路電壓（VOC）和準費米能級分裂（QFLS）之間的不匹配性越來越大，這也可以歸因于接觸區域中n_ION的增加。因此，鈣鈦礦太陽能電池的早期老化階段由不斷增加的n_ION主導。這項工作建立了移動離子在PSCs器件的降解過程中發揮作用的關鍵見解，為預測鈣鈦礦器件的長期穩定性提供了參考。

研究人員以鈣鈦礦主體材料Cs_0.05(FA_0.83MA_0.17)_0.95Pb(I_0.83Br_0.17)₃ 設計了鈣鈦礦電池，并研究了光照條件下，鈣鈦礦電池的降解性能。在光致老化過程中，如圖1a所示，在不同的開路電壓照射時間下，慢掃描速度下具有穩定的J-V曲線。圖1b顯示了不同的設備參數是如何隨著老化時間變化的。在電池中，隨著時間的推移，短路電流密度損失的增加主導了降解損失。

圖1 光照下鈣鈦礦太陽能電池的降解；? The Author(s) 2024

圖2 確定老化引起的三陽離子鈣鈦礦太陽能電池的離子損失；? The Author(s) 2024

如圖2所示，移動離子的存在仍然會影響穩態功率轉換效率，這取決于它們在整個裝置和界面處的分布和積累。可以看出，性能損失在很大程度上與離子凍結穩態電流輸出的急劇損失有關。穩態效率隨著老化時間增加而顯著下降，電池老化的主要損失機制在較慢的時間尺度上更為顯著。

圖3試驗操作條件下的離子損失； ? The Author(s) 2024

如圖3所示，研究人員發現離子損失出現在更穩定的鈣鈦礦體系中，在跟蹤穩定功率輸出超過1630小時后，該體系的PCE下降到21%左右。值得注意的是，PCE在大約50小時后增加到23.5%，這意味著觀察到的降解損失可歸因于離子損失。

圖4試驗操作條件下的離子損失； ? The Author(s) 2024

圖4表明，增加的n_ION導致電池吸收層內部電場的屏蔽增強，導致電荷提取效率持續降低。離子損失增加的另一種可能解釋是，鈣鈦礦/輸運層界面的降解具有更高的復合速度。復合速度的增加導致穩態PCE降低，峰值遲滯增加。然而，與n_ION增加的情況相反，離子凍結PCE在快速掃描速度下也會下降。在經過細致的研究后，研究人員排除了界面復合速度增加的可能性后發現，移動離子密度（n_ION）的增加似乎可能是觀察到的老化引起損失的根本原因。

圖5老化引起的離子損失與離子密度的關系； ? The Author(s) 2024

圖5表明，隨著照明時間的延長，外部測量電流大大增強。離子種類與鹵化物空位一致，因此，這些測量將瞬態電荷提取與掃描速率相關的J-V結果聯系起來。即使在光照的第一個小時內，n_ION也顯著增加。隨后的研究更進一步證實了n_ION隨老化時間的增加而增加。

圖6離子電流損耗的降解過程和原因； ? The Author(s) 2024

研究人員表明，移動離子誘導的效率損失主導了早期降解損失，并且基于各種測量，將這些增強的離子損失歸因于老化時離子密度的增加。圖6的研究工作表明：(1) 短路電流密度和填充因子中的離子損失歸因于移動離子運動引起的場篩選效應；(2) 開路電壓和準費米能級分裂失配引起的損失，這可能也是由移動離子引起的損失；(3) 損失還來自于其他尚未確定的損失過程。

該研究證明了移動離子誘導的內部場屏蔽是鈣鈦礦太陽能電池性能下降的主要因素。通過高速掃描測量技術，能夠區分離子移動引起的性能損失和其他因素導致的損失，為鈣鈦礦太陽能電池的穩定性評估提供了新方法。相關研究以“Ion-induced field screening as a dominant factor in perovskite solar cell operational stability”為題發表在國際頂級期刊Nature energy上。

三、【科學啟迪】

綜上所述，該工作研究了在不同外部壓力下，移動離子對鈣鈦礦太陽能電池老化性能退化的影響，重點研究了在光致退化中，觀察到的性能損失背后深層次的機制。研究人員揭示了一個關鍵的降解機制，作為內在的主要因素，即早期降解，這在以前沒有被研究人員清楚地識別，即移動離子誘導的場屏蔽。這種降解損失似乎比在整體和界面處增加的陷阱輔助重組更重要。

文獻鏈接：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。