钙钛矿作为新一代薄膜太阳能电池，其理论极限效率高达45%，目前实验室效率已经突破30%，同时原料和制造成本远低于晶硅电池，随着产业链不断进步，技术成熟，有望成为下一代主流技术。
然而，工作稳定性不佳仍然是其未走向产业应用的“瓶颈”问题。目前，钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells，PSC）的寿命多数可保持在几百到几千小时，但这与业界期望的“使用寿命 20 年”的愿景还相距甚远。
（来源：普林斯顿大学）
普林斯顿大学团队近期研发出一种出迄今最稳定的 PSC，其寿命从千小时级别提高至以万小时（年）为单位，首次将无机材料使用在 PSC 各个功能层（包括二维缓冲层）。并且，他们还展示了首个加速老化测试 PSC 的新方法，为未来高稳定的 PSC 的结构设计提供了新思路。
近日，相关论文以《全无机、界面稳定的钙钛矿太阳能电池加速老化》（Accelerated aging of all-inorganic, interface-stabilized perovskite solar cells）为题发表在 Science 上[1]。论文第一作者为普林斯顿大学化学与生物工程系博士后研究员赵晓明，通讯作者是普林斯顿大学工程学院卢月玲（Lynn Loo）教授。
▲图丨相关论文（来源：Science）
PSC 在 35℃ 条件下，连续运行的寿命为 5 年以上
卢月玲课题组长期专注于钙钛矿太阳能电池的稳定性研究，力求理解钙钛矿太阳能电池的退化机理，并在此基础上开发出提高其稳定性的策略。
此前，该团队针对 PSC 的稳定性进行了系列研究，包括前驱体溶液对钙钛矿稳定性的影响[2，3，4]、二维钙钛矿作为光吸收层时的稳定性研究[5,6]、有机半导体添加剂对钙钛矿太阳能电池稳定性的影响[7]、电荷传输层材料对钙钛矿太阳能电池稳定性的影响[8,9]等。
▲图丨赵晓明（来源：赵晓明）
为阻止因各个功能层因相互影响而导致 PSC 退化的情况，该团队在钙钛矿吸光层和电荷传输层之间，特别设计了一种新型的全无机二维缓冲层（厚度相当于几个原子），以阻挡化学成分在这两层之间移动。
“正是这薄薄的一个缓冲层，极大地提高了 PSC 的寿命。”他说道。根据论文结果，他们还将全无机 PSC 的功率转换效率从之前的 14.9% 提高至 17.4%。
他指出，虽然目前 PSC 的寿命还达不到商业化的标准，但领域内的研究者正在逐渐重视 PSC 的寿命问题，他们发现了许多重要的退化机理，并提出了一些提高稳定性的措施。PSC 的寿命也正在逐渐提高，从最初只有几分钟提高到了现在有几百甚至几千小时的寿命。
（来源：普林斯顿大学）
据介绍，该研究首次报道了钙钛矿电池的加速老化，但以往的研究中，在相应加速老化测试平台的搭建上并没有太多资料供该团队参考。“为了实现这个平台，我向做有机光伏加速老化的同事请教了许多。经过反复的调试与实验，我和同事们终于成功搭建了加速老化测试平台。”他说。
此外，赵晓明与团队选取几种在正常老化条件下表现不错的 PSC，进行了加速老化的研究。在电池做好后，他们将其放入该加速老化系统中进行测试，然后进行数据分析。等电池退化后，再将它取出来进行其他方面的表征，从而得到其退化的机理。
▲图丨器件结构和光伏特性（来源：Science）
该团队对有机太阳能电池（另外一种新型太阳能电池）的加速老化进行了深入的探索，他们在前期经验的基础上，根据 PSC 的一种独特的退化机理（离子迁移），设计出专门针对 PSC 的加速老化测试系统。
他们选用温度作为加速条件。通过高温来加速 PSC 的退化，然后根据阿伦尼乌斯热激活关系导出加速指数，再通过加速指数反推出 PSC 在正常温度下的寿命。该团队通过该方法预测，PSC 在 35℃（95℉）下连续运行的内在寿命为 51000±7000 小时（5 年以上）。“这可以相当于在外部环境下 30 年的使用寿命。”赵晓明说。
当然，有机太阳能电池要实现真正的商业化应用，仍需解决一些关键性问题。例如，大面积器件的模块制备的难题。目前，大多数有机太阳能电池相关研究，依旧着眼于旋涂法制备的小面积器件，主要原因在于制备方法简单、工艺成熟，较易获得平整均匀的薄膜，因此器件效率较高。
而大面积器件的制备，需采用刮涂、印刷等成膜方式，工艺更为复杂、技术难度较高。随着器件面积的扩大，效率往往会有一定程度的降低。另外，器件稳定性也是一个重要方面。
硅基、钙钛矿太阳能电池已经能实现上千甚至上万小时的稳定输出，但是目前有机太阳能电池的稳定性相对较低，主要原因在于有机分子在光照下的化学降解以及器件界面、封装等因素造成的器件稳定性的降低。
原文始发于微信公众号（弗斯迈智能科技）：中国科学家研发钙钛矿太阳能电池，系统生命周期有望达到30年
