用户前沿丨Science！二维界面稳定全无机钙钛矿太阳能电池

第 一作者：Xiaoming Zhao通讯作者：Yueh-Lin Loo通讯单位：普林斯顿大学

研究亮点：

1. 摒弃具有挥发性的有机组分，实现稳定高效的全无机钙钛矿太阳能电池。2. 加入2D Cs2PbI2Cl2覆盖层稳定界面。3. 恒定光照下高温（35oC-110oC）量化钙钛矿太阳能电池的加速降解。4. 全无机PSC的光电转换效率从14.9%提高到17.4%。

一、PSC商业化生产亟待解决的稳定性问题

虽然金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSC）的功率转换效率（PCE）现在可以超过25%，但在其商业化之前，必须解决长期运行不稳定的问题。目前报道的最 稳定且高效的PSC在连续光照条件下，T80寿命（PCE下降到初始值的80%）仅为数百或数千小时，而大多数商业应用所需的寿命超过20年。尽管近期有研究报告，获得了PSC的T80寿命超过一年，但其PCE相对较低（<13%）。加速老化实验有助于快速检验PSC的稳定性，规律地“外加压力“的加速老化实验可以量化寿命加速系数（AF），该系数将在标准操作条件下的寿命与外加温度和光照条件下的寿命联系起来。虽然，基于AFs的外加高温和高强度光照的条件下测试，已开发用于有机和硅基光伏器件，但是鉴于PSC对温度、光和电偏压的复杂敏感性，为PSC开发适合的AFs仍具有挑战性。

二、成果简介

有鉴于此，普林斯顿大学Yueh-Lin Loo团队为了探索钙钛矿型太阳能电池（PSC）的降解途径并提高其稳定性，进行了规律性的加速老化试验。在35oC至110oC的温度下，在最 大功率点（MPP）的恒定光照下，来量化封装的CsPbI3体系PSC的热加速降解。作者在钙钛矿活性层和空穴传输层（HTL）之间加入2D Cs2PbI2Cl2覆盖层，该2D层稳定了钙钛矿/HTL界面，并抑 制了离子向HTL的迁移，使降解速度大大减慢，同时将全无机PSC的功率转换效率从14.9%提高到17.4%。具有该2D层的器件在35oC下不会降解，并且需要在恒定光照下110oC时，T80寿命>2100小时。研究发现器件的PCE降解速率遵循阿伦尼乌斯（Arrhenius）温度依赖性，根据实验得出的降解加速因子预测在35℃下连续运行的长期寿命为51000±7000小时（>5年）。

三、结果与讨论

要点1：摒弃了具有挥发性的有机组分，制备了全无机结构的PSC

目前，最高效的PSC是基于混合有机-无机钙钛矿体系，其中含有挥发性有机阳离子，如甲基铵（MA+）和甲脒（FA+）。尽管无机钙钛矿太阳能电池的效率略低，但为了最 大限度地提高太阳能电池的热稳定性和光稳定性，作者选用无机CsPbI3钙钛矿作为光吸收材料。无机CsPbI3PSC的器件结构如图1A所示，在CsPbI3吸光层与CuSCN空穴传输层之间覆盖和不覆盖2D Cs2PbI2Cl2层。并且，为了进一步提高器件的热稳定性和光稳定性，采用了包括TiO2、Al2O3和CuSCN传输层以及氟化氧化锡（FTO）和Cr/Au电极的全无机结构。图1B和C展示了具有代表性器件的光伏性能。通过引入CsCl形成了覆盖2D层的PSC改善了填充因子（FF）和开路电压（VOC），使PCE达到17.4%，而无2D层的PSC为14.9%。文中所示的器件结构中的所有功能层都是无机材料，获得的器件效率是全无机PSC中最 高的。

图1 器件结构示意图和光伏特性

要点2：制定加速老化量化标准

研究者们通过观察PCE降解速率有明显的温度依赖性。这一发现表明，同样的降解机制主导了整个温度范围，这是可靠加速老化测试的重要标准。又观察到与每个类型的PSC的快速和慢速降解相关的活化能是相当的，这表明两种降解速率探测单一的物理过程。为了在标准操作条件下的降解速率kref从高温加速降解速率 kacc 中提取有意义的降解速率，研究者们定义了AF：其中Tacc和Tref是加速和标准操作条件下老化期间的工作温度（定义为1个太阳强度，35°C）。基于AF计算，可以通过将老化时间乘以加速度因子来定义在高温下老化的设备在Tref = 35°C的等效运行时间。当以这种方式处理时，所有数据都可以延伸成为覆盖和未覆盖太阳能电池的通用曲线上，这进一步证实了相同的机制，尽管在老化会在高温下加速，但整个温度范围内都会导致降解。

图2 高温工作下的PSC加速老化

要点3：全钙钛矿叠层电池的性能和稳定性

为了研究PSC退化的原因，研究者在110°C连续光照条件下对全器件进行老化处理，然后剥离顶电极，并用 X 射线衍射(XRD)表征了钙钛矿的结构。发现在2000小时老化后，2θ = 16.159处的反射在未封盖的PSC的XRD中对应于 CuSCN 的(003)反射强度变低，半峰宽增大，这表明 CuSCN 晶体尺寸减少。相应地，在老化的HTL表面的 XPS 光谱中，I 3d信号显著增加，而在二维Cs2PbI2Cl2封盖的PSC下HTL表面的XPS光谱中未检测出I 3d信号。这些结果表明，在相同的持续时间后，封盖的PSC中CuSCN的膜结构和形态没有显示出明显的变化，具有更强的稳定性。最 后通过温度相关电导率，对钙钛矿薄膜中离子迁移计算得出二维封盖阻碍了离子迁移。抑 制离子迁移可能源于钙钛矿活性层表面的碘空位钝化，存在二维覆盖层中。

图3 PSC降解/稳定机制

五、小结

综上所述，作者采用全无机结构（各功能层均为无机材料），避免了热稳定性差的有机组分对器件稳定性的影响。作者研究了在恒定光照35oC至110oC下，热加速封装的CsPbI3 PSC的降解，发现引入2D层的器件在110°C下T80寿命>2100小时。并且，通过实验与计算，提出了加速钙钛矿降解的一种量化标准，器件PCE降解速率遵循Arrhenius温度依赖关系，根据实验测定的AF为24.2±3.5，预测其在35℃下对应的T80寿命为5.1±0.7×104小时，即器件可以连续运行5年以上。该研究进一步推动钙钛矿朝着商业化的方向的进程。

六、参考文献

X. Zhao et al. Accelerated aging of all-inorganic, interface-stabilized perovskite solar cells. Science (2022)

DOI: 10.1126/science.abn5679.https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn5679

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