新闻网讯 9月30日，武汉光电国家研究中心陈炜教授团队相关成果“Modulation of perovskite degradation with multiple-barrier for light-heat stable perovskite solar cells”发表于Nature Communications。针对钙钛矿太阳能电池长期稳定性（尤其是光热稳定性）较差的问题，团队采用廉价惰性金属/金属氧化物/聚合物多重阻挡层共同抑制钙钛矿太阳能电池降解的方案，实现了具有多重势垒的封装甲脒铯基钙钛矿太阳能电池在光热协同作用下的高稳定性。
稳定性是制约钙钛矿太阳能电池商业化应用的最大挑战，其中高温光照稳定性被认为是多种稳定性指标中的最难点之一，FACs体系的钙钛矿因为较高的分解反应焓和活化能，成为研究者们选择的主流组分。然而FA在高温和光照情况下也会发生分解反应。封装技术可以抑制分解产物的释放和消耗，以使分解反应达到良性平衡；ALD制备的封装层比溶胶凝胶法制备的薄膜致密性更好，考虑到常用的TCO带来的成本问题和光电学损失，因此需要采用低成本和稳定的电极/封装屏障设计。为此，陈炜教授团队采用了廉价Bi金属/ALD-Al2O3/CVD-parylene聚合物多重屏障技术，以抑制卤化物的消耗和气态钙钛矿分解产物的释放，共同抑制钙钛矿太阳能电池在光热老化条件下的降解，使相应的分解反应达到良性平衡（图1）。
图1 钙钛矿太阳能电池多屏障策略示意图
图2 具有双层屏障的FA基钙钛矿膜的特征分解产物
通过采用Al2O3（30 nm）/parylene（1 μm）双层薄膜作为封装屏障，可以有效抑制钙钛矿在高温条件下的分解反应，同时不会对钙钛矿膜质量和设备性能产生明显不利影响。原位加热XRD测试结果表明（图2a-b），Al2O3/parylene双层屏障能够有效抑制钙钛矿在高温和光照条件下的分解反应。质谱测试进一步证明了Al2O3/parylene双层屏障可以阻止分解产物的释放（图2c-d），从而提高了钙钛矿的稳定性。我们发现，与单层屏障相比，Al2O3/parylene双层屏障在阻止气体释放方面更为高效，尤其在湿度、热、湿度/热和光/热条件下具有强大的屏障能力。
图3 具有多重势垒的薄膜原位加热XRD表征
为了探究表面钙钛矿在不同电极存在下的分解行为，对钙钛矿/电极/Al2O3/聚对二甲苯样品分别采用Ag和Bi电极进行了原位加热- XRD表征。Ag基样品的PbI2峰出现在160°C，比Bi基样品的PbI2峰出现在250°C要早得多。在Ag基样品中在160°C还观察到AgI峰，而在Bi基样品中没有观察到BiI3峰，这表明Ag可以诱导钙钛矿分解并生成AgI，而Bi不会低温范围内与钙钛矿发生明显的反应（图3a-b），有Al2O3/对二甲苯阻挡层但没有电极的钙钛矿膜样品在温度升高到250℃时才开始分解，这与Bi的情况类似。在温度高于250℃时，银基样品的PbI2峰强度相对低于铋基样品，这表明银基样品中的碘元素可以进一步被银电极消耗（图3c）。这些结果证实了铋是一种惰性金属，不会引起钙钛矿的分解。
图4 老化器件中的元素分布及相应的PSC降解示意图
Bi电极和Al2O3/parylene双层屏障有助于系统达到相对良性的平衡，从而大大减缓了钙钛矿和器件的老化速度。我们从反应热力学和动力学的角度进一步分析了可逆分解反应的动态特性。通过多层屏障的作用，Bi电极的器件可以被认为是一个封闭非消耗系统（CNS），在CNS中，分解速率逐渐减小，反应速率（逆反应）逐渐增加，直到前向速率等于反向速率，系统达到良性平衡，从而提高了器件的稳定性。
图5 器件的光伏性能与高温光照稳定性
这些器件表现出超过22%的光电转换效率。与Ag电极相比，Bi电极在相同条件下对钙钛矿的分解行为表现出更好的抑制效果。结果表明，采用多重屏障封装的甲脒铯基钙钛矿太阳能电池在连续45°C下工作5200小时后仍保持90%的初始效率，在连续75°C下工作1000小时后，仍保持93%的初始效率。
华中科技大学为论文第一完成单位，通讯作者为陈炜教授与刘宗豪副教授，周静博士生、于鹏硕士生为共同第一作者。研究工作得到了日本冲绳科学技术大学院大学戚亚冰教授的悉心指导，戚亚冰教授为论文共同通讯作者。该研究工作得到了科技部国家重点研发项目、国家自然科学基金、中国科协青年科技精英资助计划、华中科技大学自主创新研究基金、湖北省自然科学基金和光谷实验室创新计划等项目资助。
陈炜教授团队一直致力于推动面向应用的反式钙钛矿太阳能电池的研究。历年来在大面积、高效率、高稳定反式钙钛矿太阳能电池和模组研究方面取得了丰富的研究成果。除早期的Science（2015），Nature Energy（2016）论文外，后续发表过多篇重要论文解决稳定性（Nature communications, 2019）和大面积高效率模组制造瓶颈（Science Advances, 2021）。近期最新的反式电池高效率论文也陆续发表在Science（2023，合作）和Nature Energy（2023，第一单位）上。本论文是在2019年Nature communications工作基础上的进一步发展延伸。Bi电极方案是由陈炜教授团队独立提出的重要产业化技术路线，兼顾了器件效率、稳定性和低成本。该方案目前逐步得到了国际同行的验证和正面评价。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41856-9
