韩宏伟Joule：这次，钙钛矿太阳能电池的稳定性绝对稳了！

【研究简介】

较差的稳定性成为制约钙钛矿太阳能电池（PSC）走向商业化的主要障碍。有鉴于此，华中科技大学韩宏伟教授团队对PSC的稳定性进行了进一步深入探索。研究发现，MAPbI₃的主要失效机制是在器件运行过程中，会发生晶界处MAI的挥发，晶体重构以及离子的长距离迁移。并发现5-氨基戊酸（5-AVA）有机分子使得MAPbI₃晶体被局域在纳米尺度范围内，同时添加剂5-AVA进一步强化了晶界，从而有效抑制其分解或者重构，并使其离子迁移具备可逆性。全印刷(5-AVA)_xMA_1-xPbI₃电池器件在55±5 ℃温度下及最大功率点追踪超9000小时后，器件性能未发生明显衰减，展现出超高工作状态稳定性。

【研究内容】 

图1：5-AVA掺杂前后的MAPbI₃ PSC稳定性对比测试

5-AVA掺杂MAPbI₃电池器件在湿热测试（85 ℃/85% RH, 1100 h），热循环测试（-40 ℃~85 ℃，200个循环），紫外线光照测试（60 ℃，15 kW h m^-2），连续光照下最大功率点追踪测试 (55 ℃ ± 5 ℃, 1000 h)下均保持强劲的稳定性，满足了国际工业标准化的IEC61215:2016测试标准。 

图2：打印MA基PSC的稳定机理研究

5-AVAI掺杂后器件所表现出的优异稳定性，主要是由于5-AVA中的铵基与钙钛矿结合，其中的羧基与另一5-AVA通过氢键相连，从而使得钙钛矿晶粒通过5-AVA紧密结合，同时使得钙钛矿与金属氧化物基底紧密结合。该强相互作用力抑制了钙钛矿中有机基团MAI的挥发，同时能够抑制MAPbI₃钙钛矿晶界及钙钛矿/氧化物介孔层界面处的离子迁移，最终显著提高器件性能的稳定性。 

图3：紫外光照下含MA钙钛矿薄膜的降解

在365 nm紫外光照下，原始MAPbI₃膜的致密表面出现针孔，I/Pb摩尔比迅速下降，表明MAPbI3分解。而(5-AVA)_XMA_1-XPbI₃膜中没有出现明显的针孔。但在2,000 mW cm^-2的极高紫外线强度下，两个薄膜均降解，I/Pb摩尔比急剧下降。 

图4：含MA钙钛矿薄膜的分解分析

为了确认5-AVAI确实增强了MAPbI₃抵抗热应力和光浸泡应力的作用，根据IEC61215：2016紫外线预处理测试所需的温度和照明剂量，对MAPbI₃和(5-AVA)_XMA_1-XPbI₃膜进行了处理。紫外线预处理导致MAPbI₃中形成PbI₂，PL强度明显增强；而对于(5-AVA)_XMA_1-XPbI₃，则未检测到PbI₂，PL也几乎不变（图4A-B）。增强的PL是由PbI₂的钝化效应引起。拉曼结果证明 MAPbI₃中94 nm^-1处PbI₂的拉曼信号明显增强（图4C）。这些结果表明5-AVAI阻止了分解。当将摩尔比为1/1的MAI和5-AVAI混合膜放在2,000 mW cm^-2的紫外光下时，在对置基板上观察到一些可分辨的物质。FTIR结果（图4D）表明，沉积的物质显示出与MAI相似的轮廓。没有出现属于5-AVAI的明显信号，表明5-AVAI的挥发性比MAI小。在2,000 mWcm^-2紫外光下MAPbI₃薄膜的分解副产物表现出与MAI相似的XRD谱图（图4E）。

总之，该工作深入了对介观结构钙钛矿太阳能电池稳定性的认识和理解，揭示了影响介观结构MAPbI₃器件稳定性的主要机制是在光、热及电场偏压的作用下，晶界处MAI的挥发，晶体重组以及不可逆的长距离离子迁移。通过引入有机分子5-AVAI，利用其与MAPbI₃钙钛矿的强相互作用力稳定了钙钛矿的晶界及界面，从而有效抑制了钙钛矿的分解或重构，并使得离子迁移具有可逆性。通过印刷制备的介观钙钛矿太阳能电池成功通过了IEC61215:2016测试标准，同时最大功率点追踪超9000小时，性能未见衰减，从而展现出良好的商业化前景。

Han, H. et al, Stabilizing Perovskite Solar Cells to IEC61215:2016 Standards with over 9,000-h Operational Tracking. Joule 2020. DOI:10.1016/j.joule.2020.09.010