长期稳定性是决定钙钛矿太阳能电池能否顺利推进产业化进程的重要指标，其中钙钛矿材料中的不可逆离子迁移行为严重制约着器件寿命。北京大学材料科学与工程学院周欢萍教授课题组提出一种新的策略，即在钙钛矿层的界面处引入多碘化物超分子缓冲层，实现了抑制钙钛矿离子迁移和促进缺陷自修复的双重作用，从而大大提升了电池的长期稳定性。相关研究于2023年9月21日在国际顶级学术期刊《自然·光子学》（Nature Photonics）上发表，题为：Improved fatigue behaviour of perovskite solar cells with an interfacial starch-polyiodide buffer layer（https://doi.org/10.1038/s41566-023-01287-w）
在众多清洁可再生能源中，太阳能因其储量大、分布广、清洁可靠等特点得到了广泛的青睐。利用光生伏特效应，太阳能电池将光能直接转化为电能是利用太阳能最为有效的手段之一。器件寿命和光电转换效率是决定太阳能电池最终发电成本的两个关键因素。在第三代光伏半导体材料中，有机-无机杂化钙钛矿因其优异的光电性质和低成本制备工艺而受到广泛关注，相应的太阳能电池光电转换效率从2009年的3.8%快速增长至近年的26.1%。相比于单晶硅，钙钛矿材料还具有柔性、带隙可调和自愈性等独特优势，在叠层太阳能电池、光伏建筑一体化（BIPV）和太空光伏等应用场景都展现出巨大的发展潜力。
然而，钙钛矿电池的产业化进程受到材料不稳定性的限制。相比于传统无机光伏材料，如晶体硅（IV）和铜铟镓硒（I-III-VI），有机-无机卤化物钙钛矿材料中的组分，如I–、FA+和Pb2+都是尺寸大、带电荷量少的离子，其晶格较软、缺陷密度较高，容易发生离子迁移行为，并且加热、光照和电场作用会显著加剧离子迁移的发生，从而导致器件的不稳定表现。特别地，在白天/黑夜交替循环的真实工况下，有大量研究表明钙钛矿太阳能电池会出现“疲劳”特性，即器件性能随循环增加不断衰减、而恢复能力逐渐减弱。迄今为止，对钙钛矿材料疲劳退化过程中的亚稳态动力学仍缺乏基本的认识，更缺乏有效的手段来起到抑制疲劳的效果。
图1.多碘化物超分子缓冲层抑制钙钛矿中离子迁移、促进卤素空位缺陷自修复的示意图
针对上述的本征性蜕化问题，周欢萍课题组提出了一种全新的策略，即在钙钛矿层的界面处引入多碘化物超分子（淀粉多碘化物）缓冲层。该缓冲层可在抑制钙钛矿中的离子迁移的同时促进卤素空位缺陷的自修复，在器件运行期间，持续发挥作用。改性后的钙钛矿太阳能电池表现出更好的耐用性，特别是光/暗循环运行下的疲劳特性得到明显改善，器件在42个昼夜循环（12/12小时光/暗循环）老化后，保持了98%的初始功率，这是迄今为止报道中最好的模拟昼夜循环稳定性之一。稳定器件的光电转化效率也大幅提升至超过24%，且电致发光量子效率超过12%。该方法揭示了超分子材料如何在动力学上调节钙钛矿和其他具有软晶格的材料的亚稳态行为，解决了铅卤钙钛矿太阳能电池中限制其发展的一个重要的不稳定性表现，可推广至其他的钙钛矿光电器件，且该方法对于其他面临类似问题的无机半导体器件也具有重要参考意义。
图2：钙钛矿电池的性能及稳定性：(a)钙钛矿电池的初始性能变化；(b)引入超分子缓冲层的钙钛矿电池最优电池性能测试J-V曲线；(c)器件在最大功率点连续工作性能变化；(d)器件在昼夜循环运行条件下的功率输出曲线(12 h/12 h)；(e)器件在选定运行周期内的性能变化；(f)器件在加速光暗老化测试中的功率输出曲线(10 min/10 min)
该论文的第一作者是材料科学与工程学院周欢萍课题组的2018级博士研究生张钰。周欢萍教授为唯一通讯作者。合作者还包括北京大学物理学院赵清课题组、北京理工大学陈棋课题组及武汉理工大学黄文超课题组等。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、高分子化学与物理教育部重点实验室、先进电池材料理论与技术北京市重点实验室、新基石科学基金会所设立的科学探索奖等的联合资助。
