鈣鈦礦太陽能電池（PSC）作為下一代光伏技術的重要候選者，近年來取得了飛速的發(fā)展， 其光電轉換效率已經接近甚至超越了傳統(tǒng)晶硅太陽能電池。 然而，鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性問題依然是制約其商業(yè)化應用的關鍵難題。

反向偏壓（reverse bias）對鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性有著重要影響， 它可能導致鈣鈦礦材料分解， 進而影響電池的長期穩(wěn)定性。 因此，理解反向偏壓對鈣鈦礦結構和性能的影響是提高電池穩(wěn)定性的重要研究方向。 研究人員需要深入了解反向偏壓條件下鈣鈦礦材料的降解機制， 以找到提高其穩(wěn)定性的解決方案。

研究反向偏壓下的降解機理能幫助科學家找出鈣鈦礦太陽能電池的弱點。 這些研究有助于設計更加耐用的材料和結構， 以防止電池在反向偏壓條件下快速降解。 同時，反向偏壓會導致效率損失，這主要是由于電荷載流子的再結合速率增加以及可能的滲透電流增大。 了解和克服這些問題對于保持高效率運行的鈣鈦礦太陽能電池至關重要。

研究反向偏壓對電池的影響還有助于改進封裝技術， 防止環(huán)境因素（如濕氣和氧氣）在反向偏壓條件下對鈣鈦礦材料造成的影響。

近期，北卡羅來納大學教堂山分校黃勁松教授團隊在國際頂尖期刊《Nature Energy》上發(fā)表了一項重要研究成果， 揭示了鈣鈦礦太陽能電池在反向偏壓下失效的機理， 并通過構建強化屏障， 顯著提高了鈣鈦礦太陽能電池在反向偏壓下的穩(wěn)定性。

【反向偏壓下的“致命弱點"：揭秘鈣鈦礦太陽能電池失效機制】

鈣鈦礦太陽能電池在實際應用中通常需要承受來自外部環(huán)境的變化， 例如反向偏壓， 這是指電池兩端電壓反向連接， 電流方向與正常工作狀態(tài)相反。 傳統(tǒng)上， 鈣鈦礦太陽能電池在反向偏壓下的穩(wěn)定性較差， 導致其實際應用受到嚴重限制。

這項研究針對這一問題，對鈣鈦礦太陽能電池在反向偏壓下的失效機制進行了深入研究。 研究人員發(fā)現(xiàn)， 當器件工作在反向偏壓狀態(tài)時， 會發(fā)生一系列復雜的反應和失效過程：

l  陰極注入空穴導致碘化物氧化: 首先， 反向偏壓導致空穴注入到器件陰極， 氧化了鈣鈦礦中的碘離子， 產生了中性碘 (I2)。

l  碘氧化金屬電極: 隨后，生成的碘 (I2) 會與金屬電極 (例如銅) 發(fā)生反應， 腐蝕電極， 導致金屬離子（例如 Cu+） 生成。

l  銅離子遷移和還原: 產生的銅離子 (Cu+) 會遷移進入鈣鈦礦層， 并與電子發(fā)生反應， 生成金屬銅 (Cu)， 形成局部金屬橋， 最終導致器件短路失效。

目前， 許多研究集中在通過材料工程和結構設計來減少反向偏壓的負面影響。 例如， 通過優(yōu)化鈣鈦礦材料的組成和制備工藝， 可以提高其對反向偏壓的耐受性。 此外， 先進的封裝技術和界面層材料也在研究中， 以提升電池的穩(wěn)定性和壽命。

【“銅墻鐵壁"的防護： 突破性屏障設計，大幅提升穩(wěn)定性】

為了克服這一“致命弱點"， 研究團隊針對性地提出了一種新型的“強化屏障"策略。 他們在鈣鈦礦太陽能電池陰極側， 利用鋰氟化物 (LiF)、氧化錫 (SnO2) 和氧化銦錫 (ITO) 組成的復合結構， 形成一層強化屏障：

1.        降低暗電流: LiF/SnO2/ITO 復合結構顯著降低了器件的暗電流， 阻擋了空穴注入到陰極。

2.        防止銅腐蝕: 強化屏障能夠有效隔絕銅電極和鈣鈦礦層， 防止銅電極被腐蝕， 抑制了 Cu+離子的產生。

3.        提升反向偏壓穩(wěn)定性: 研究人員測試發(fā)現(xiàn)， 采用這種強化屏障策略后， 器件的反向偏壓擊穿電壓顯著提升到 -20V 以上， 并且器件在反向偏壓下展現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性， 能夠有效防止失效。 此外， 采用這種設計的小型模塊在遮蔽測試下仍能保持超過 90% 的初始性能， 有效提升了器件在真實環(huán)境下的使用壽命。

【鈣鈦礦太陽能電池發(fā)展的新曙光： 穩(wěn)定性不再是瓶頸】

黃勁松教授領導的團隊成功發(fā)表了鈣鈦礦太陽能電池在反向偏壓下的失效機制， 并利用強化屏障策略， 顯著提高了鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性， 這為克服鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的難題提供了重要解決方案。

這項突破性的成果， 將為鈣鈦礦太陽能電池的應用領域打開更廣闊的大門， 推動鈣鈦礦太陽能電池更快速地走向市場應用。 未來， 黃教授團隊將繼續(xù)探索提高鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性以及效率的新策略， 為打造再生、可持續(xù)的能源體系貢獻力量。

這項研究對鈣鈦礦太陽能電池在反向偏壓下的失效機制進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)了其“致命弱點"。 同時， 研究人員通過設計強化屏障， 成功解決了這一難題， 顯著提高了器件的穩(wěn)定性。 這一研究成果對于推動鈣鈦礦太陽能電池走向產業(yè)化具有重要的意義。

重要技術參數(shù)：

l   反向偏壓擊穿電壓: >-20V

l   關鍵技術： 強化屏障策略

北卡羅來納大學教堂山分校_黃勁松教授

黃勁松教授是北卡羅來納大學教堂山分校化學系教授， 主要從事新型光伏材料、器件的研發(fā)以及相關理論研究。 他領導的研究團隊， 在開發(fā)先進太陽能電池材料和器件， 提高其效率和穩(wěn)定性方面做出了重大貢獻。 他是美國能源部基礎能源科學辦公室“能源前沿研究中心"（EFRC）——“太陽能光伏的界面科學中心" 的研究員， 也曾入選“美國化學會會士"。 他的團隊在國際著名期刊上發(fā)表了300余篇高質量學術論文， 并在光伏領域取得了多個重要突破， 推動了光伏技術的發(fā)展。

課題組主要研究方向

1.  鈣鈦礦太陽能電池：

o    研究高效鈣鈦礦太陽能電池的材料合成與制備技術。

o    探討鈣鈦礦材料的結構與性能之間的關系，并開發(fā)新型鈣鈦礦材料以提高電池效率和穩(wěn)定性。

o    解決鈣鈦礦太陽能電池在環(huán)境穩(wěn)定性和長期耐久性方面的挑戰(zhàn)。

2.  有機-無機雜化光伏材料：

o    研究有機與無機材料的結合，開發(fā)出具有優(yōu)異光電性能的新型雜化光伏材料。

o    探討這些材料在太陽能電池中的應用，提升其轉換效率和穩(wěn)定性。

3.  先進制備技術：

o    開發(fā)低成本、高效率的制備技術，包括溶液加工和大面積涂布技術。

o    探索大規(guī)模生產中的應用，推動鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化。

4.  光電器件物理與工程：

o    研究光電器件的工作原理和物理機理，特別是光生電荷的生成、分離和傳輸過程。

o    開發(fā)高效光電探測器和其他光電器件，推動光電技術的多領域應用。

致力于推動光電材料與器件的前沿研究，并致力于實現(xiàn)其在可再生能源和新興光電技術中的應用。

參考文獻

Barrier reinforcement for enhanced perovskite solar cell stability under reverse bias_ Nature Energy2024,_ DOI:10.1038/s41560-024-01579-7

【本研究參數(shù)圖】

Fig S2.  Sn4+ and In3+ signal across the fresh and ?3.5 V bias aged (for 6 min) PSCs, respectively (from the TOF-SIMS measurement). Both Sn4+ and In3+ signal (from ITO) was slightly higher in bias aged device at the depth region of 600-780 nm (green square marked)

Fig S4. Scheme and related photos/SEM images for degraded device after peeling off. a, The architecture and related photo of ITO side after peeling off. b, The architecture and related photo of cover glass side after peeling off. It could be seen that certain area of perovskite (yellow box marked) was successfully peeled off from the ITO, which was the target of XPS detection spot (300 × 700 µm). c, SEM image of yellow box marked region shown in Supplementary Fig. 4a, no visible perovskite residue was observed. d, SEM image of yellow box marked region shown in Supplementary Fig. 4b, a flat surface of the peeled-off perovskite was obtained, without any impurities

Fig S5. . PCE evolution of control PSCs under reverse bias, forward bias, and light soaking. a, PCE evolution of PSCs under periodic ?1.6 V aging and 0.1 V recovery. b, PCE evolution of PSCs under periodic ?1.6 V aging and light recovery. 0.1 V was chosen as the current value under 0.1 V (~0.3 mA/cm2) is quite small to avoid the negative effect of forward bias. From the results we found that although forward bias and light soaking could recover the devices PCE partially, reverse bias caused PCE decline still apparent and more difficult to be recovered after longer time aging. Therefore, reverse bias caused degradation should be partially reversible (i.e.,

ion migration), but irreversible degradation (i.e., chemical reactions) was dominant under longer aging time, as discussed in the main text

Fig S13.Performance of devices with different ETL and electrodes. Typical JV curves of PSCs before and after -1.6 V bias aging (for 200 h). a, ITO/PTAA/FA0.9Cs0.1PbI3/ C60/SnO2/Cu; b,ITO/PTAA/FA0.9Cs0.1PbI3/C60/SnO2/ITO/Cu; c, ITO/PTAA/FA0.9Cs0.1PbI3/ LiF/C60/SnO2/ITO/ Cu

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文獻參考自 Nature Energy2024,_ DOI:10.1038/s41560-024-01579-7

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