朱凯团队再发Nature！

　　金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）是一种前景广阔的低成本薄膜光伏（PV）技术。它们在单结和串联应用中都取得了前所未有的功率转换效率（PCEs）。然而，要将PSCs推向商业化，我们一定要进一步探索这一些器件在实际室外条件下的可靠性。这是一个具有挑战性的任务，因为在室外环境中，多种应力因素（如光、热和湿度）同时存在，导致复杂的降解行为。因此，迫切地需要确定一种加速室内测试协议，以便将特定应力因素与现场器件中观察到的降解模式联系起来，从而快速指导PSC的开发。

　　在此，美国国家可再次生产的能源实验室朱凯团队使用最先进的 p-i-n PSC 堆栈来证明室内加速稳定性测试可以预测 6个月的室外老化测试。研究人员发现，基于铟锡氧化物（ITO）/自组装单层（SAM）的空穴传输层（HTL）/钙钛矿界面对器件运行稳定性的影响最大。改进 SAM HTL 的离子阻断特性可将 50°C-85°C 温度下的器件稳定性提高约2.8倍，在 85°C 温度下工作可达 1000小时，在50°C 温度下接近8200小时，预计衰减率为20%，这是迄今为止报道的最高效的p-i-n PSCs性能。相关成果以“Towards linking lab and field lifetimes of perovskite solar cells”为题发表在《Nature》上。第一作者为蒋琦。

　　在这项研究中，作者重点研究了倒置器件堆栈。代表性的电流密度-电压（J-V）特性如图 1a 所示，反向扫描和正向扫描的 PCE 分别为 25.58% 和 25.49%。相应的稳定功率输出（SPO）PCE 达到 25.52%，代表了 p-i-n PSC 的最新技术水平。图 1b 显示了 192 个器件的所有光伏参数的统计分布，表明器件拥有非常良好的再现性。这种可重复性对于从本研究进行的不同稳定性测试中获得可靠、一致的数据至关重要。设备获得的认证稳定 PCE 为 24.3%，是迄今为止文献结果中最高的 。

　　为了检查器件效率的变化，作者首先进行了多项 ISOS 测试，包括储存/货架稳定性、室温下的运行稳定性、湿热和热循环。在储存稳定性测试中，器件在 56 周后未出现降解（图 1c）。在室温下进行的运行稳定性测试中，器件在连续运行约 5030 小时后，其最大 PCEs 仍保持在 93% 以上（图 1d）。在热循环测试（-40°C 至 85°C）中，器件在 1000 次热循环后平均降解约 5%，多个电池降解 3%（图 1e）。这远超于了该测试协议通常进行的 200次热循环。在湿热测试中，器件在约2560小时后显示出 8% 的降解，这也是迄今为止报告的最佳结果之一。

　　作者进一步研究了器件在 1.2 个太阳光照射和 25°C 至 85°C 高温条件下的稳定性，以了解温度与光照共同产生的影响。这些测试是在 N2中进行的，与湿热和热循环测试（图 1e、f）一致，这表明通过可靠的器件封装可以最大限度地减少环境空气中水分的潜在影响。图 2a 显示了随气温变化的工作稳定性变化结果。随着器件工作时候的温度的升高，相同的电池平均降解速度加快，T80 从25°C时的约 14580 小时变为 85°C 时的约 360 小时。对于本研究中检测的样品，在 85°C 老化的器件比在 25°C 老化的器件的降解速度快 40 倍。图 2b 包含五个不同测量温度下相应的平均 T80 值，以及相对于 25°C 结果的表观加速因子。图 2c 比较了不一样的温度下的每小时降解率 (1/T80)。从该图中，可以估算出约 0.59 eV 的表观活化能 (Ea)，从而合理地描述了从 25°C 到 85°C 温度范围内的限速降解过程。

　　作者进一步研究了室外老化条件下的器件稳定性。这一些器件采用玻璃片之间的 PIB 边缘密封包装。图 3a 显示了室外稳定性测试期间每周的温度变化趋势。作者使用与温度相关的每小时衰减率和室外测试温度来模拟设备在室外运行期间的衰减程度。结果如图 3b 中的浅绿色带所示。在室外稳定性测试中，作者还在封装器件内加入了钙，作为监测潜在湿气侵入的灵敏探针。对于图 3b 所示的器件，未曾发现任何明显的湿气渗入。图 3b 显示了计算出的降解行为，与测量的室外器件降解结果相仿。在室外条件下，这一些器件在 26 周后仍能保持约 66%-75% 的初始 PCE。这表明，高温与光照的结合是最关键的应力条件，在封装良好的器件没有湿气进入的情况下，可以用它来定量预测电池在室外工作条件下的测试期性能。

　　因此，作者研究了基于 MeO-2PACz 和 Me-4PACz 混合 SAM 的 p-i-n PSCs 的室内和室外工作稳定性。如图 4a 所示，与基于 MeO- 2PACz 的器件（图 2）相比，平均 T80 在 85°C 时达到 1000 小时之后，在 50°C 时进一步增加到近 8200 小时，相当于以相似的活化能提高了约 2.8 倍（图 4b）。活化能的一致性有力地表明，在这两种装置中，限制降解反应速率的机制是相同的。包装设备在室外条件下老化 22 周，14 个封装器件平均保持了器件初始 PCE 的 90.1%（图 4c、d）。降解趋势与根据与温度相关的每小时降解率和室外老化温度计算得出的趋势一致。结果凸显了识别和改进 PSC 最薄弱元件以实现器件在高温条件下稳定运行的重要性；这对于为室外应用开发 PSC 至关重要。

　　总之，在本研究中，作者利用由多个ISOS稳定性测试协议组成的最先进 p-i-n PSC 平台演示了大量稳定性评估。作者发现，在光照条件下进行高温（如 85°C）工作稳定性测试与室外工作电池测试具有非常好的相关性。这表明，高温和光照的组合是了解封装良好的 PSC 户外运作情况的最关键的压力源组合。研究结果还表明，ITO/SAM HTL/钙钛矿界面对于提高器件在高温下的运行稳定性至关重要，因此在未来的 p-i-n PSC 开发研究中应更加关注这一问题，以实现稳定高效的室外运行。虽然其他电池级 ISOS 稳定性测试协议在提供比较以指导 PSC 开发方面仍然很有价值，特别是从电池到模块的过程中，但应考虑结合多个 ISOS 协议和相关压力源进行更严格的测试，以提高对室外设备正常运行的了解。

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