AM：揭示有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的降解机制

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近年来，有机-无机杂化钙钛矿（如MAPbI3）太阳能电池得到飞速发展，已经达到25.5%的光电转换效率，但钙钛矿材料的本征稳定性，尤其是钙钛矿材料在外界刺激下发生的离子解离及迁移过程加速了器件的降解速度，极大地限制了钙钛矿光伏技术的进一步发展。在钙钛矿太阳能电池的运行过程中，离子解离及迁移过程会产生大量缺陷态，影响器件性能。为此，研究人员试图通过光谱表征手段揭示钙钛矿材料在光照下新生缺陷的演化过程，进而揭示器件的降解机制，为提高钙钛矿材料本征稳定性的研究指明方向。

Advanced Materials最近发表了由新加坡国立大学（NUS）太阳能研究所（SERIS）、香港城市大学及北京大学的研究人员合作完成的研究论文“Revealing the Degradation and Self‐Healing Mechanisms in Perovskite Solar Cells by Sub‐Bandgap External Quantum Efficiency Spectroscopy”(DOI：10.1002/adma.202006170)。该工作通过高灵敏的sub-bandgap external quantum efficiency (s-EQE)亚带隙外量子效率光谱技术系统地研究了MAPbI3钙钛矿太阳能电池在老化过程中的离子解离及迁移过程。通过对器件老化后的s-EQE光谱进行Gaussian model拟合，确定器件老化过程中的新生缺陷，并结合理论计算的各类缺陷的能级位置揭示MAPbI3钙钛矿太阳能电池的降解机制（图1）。

图1. s-EQE光谱揭示钙钛矿老化过程中新生缺陷属性原理图

研究人员发现不同电极材料的器件在老化过程中会产生不同能级位置的缺陷态。在外界环境如光照、温度、电场等作用下MAPbI3材料首先发生离子解离及迁移，形成空位、间隙及反位缺陷。对于Ag电极器件，由于Ag会与I-离子发生反应，消耗I-离子，加速离子解离及迁移过程，加速器件降解速率。对于ITO电极器件，解离的离子无法消耗，堆积于器件界面，抑制进一步的离子解离及迁移过程。若ITO器件储存在黑暗环境下，这些聚集的离子有机会迁移到相应的缺陷态，实现钙钛矿材料的自修复（图2）。

图2.不同电极材料的钙钛矿太阳能电池降解机制模型。

本研究结果表明，虽然钙钛矿材料在外界环境下难免发生离子解离及离子迁移，但只要游离的离子未与器件的其他功能层材料或电极发生反应，这些游离的离子会抑制钙钛矿内部继续发生离子解离及迁移，使器件保持稳定。在经历黑暗储存后，这些游离的离子有机会修复相应的缺陷态，实现器件性能的自修复。考虑到自然的日夜交替，本研究揭示的钙钛矿器件的自修复机制将为钙钛矿光伏器件的实际应用产生推动作用。此外，本工作也表明开发新型金属氧化物透明电极材料将成为提高钙钛矿太阳能电池稳定性的一个重要手段，特别是该类电极材料还可直接用于钙钛矿叠层电池技术。

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