中国科学家研发钙钛矿太阳能电池,系统生命周期有望达到30年

随着技术的进步，单结钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已提升至 25.7%，接近硅太阳能电池的实验室的最高效率。由于其具备低成本、易加工、轻量化、柔性化、可持续等优势，近年来持续成为光伏领域最具潜力的新产品。

然而，工作稳定性不佳仍然是其未走向产业应用的“瓶颈”问题。目前，钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells，PSC）的寿命多数可保持在几百到几千小时，但这与业界期望的“使用寿命 20 年”的愿景还相距甚远。

（来源：普林斯顿大学）

普林斯顿大学团队近期研发出一种出迄今最稳定的 PSC，其寿命从千小时级别提高至以万小时（年）为单位，首次将无机材料使用在 PSC 各个功能层（包括二维缓冲层）。并且，他们还展示了首个加速老化测试 PSC 的新方法，为未来高稳定的 PSC 的结构设计提供了新思路。

近日，相关论文以《全无机、界面稳定的钙钛矿太阳能电池加速老化》（Accelerated aging of all-inorganic, interface-stabilized perovskite solar cells）为题发表在 Science 上[1]。论文第一作者为普林斯顿大学化学与生物工程系博士后研究员赵晓明，通讯作者是普林斯顿大学工程学院卢月玲（Lynn Loo）教授。

▲图丨相关论文（来源：Science）

审稿人对此评价道：“这是第一项将直接计算加速比的加速稳定性实验概念应用于钙钛矿太阳能电池的研究，这种方法有助于合理预测这种新兴光伏电池的使用寿命。”

PSC 在 35℃ 条件下，连续运行的寿命为 5 年以上

卢月玲课题组长期专注于钙钛矿太阳能电池的稳定性研究，力求理解钙钛矿太阳能电池的退化机理，并在此基础上开发出提高其稳定性的策略。

此前，该团队针对 PSC 的稳定性进行了系列研究，包括前驱体溶液对钙钛矿稳定性的影响[2，3，4]、二维钙钛矿作为光吸收层时的稳定性研究[5,6]、有机半导体添加剂对钙钛矿太阳能电池稳定性的影响[7]、电荷传输层材料对钙钛矿太阳能电池稳定性的影响[8,9]等。

▲图丨赵晓明（来源：赵晓明）

赵晓明在本次研究中主要负责实验方案的设计，以及一些表征和分析。基于此前工作对 PSC 退化机理的理解，他设计了数十种不同的 PSC，并且与团队分别针对不同的 PSC 的寿命进行了测试。通过层层筛选，新型 PSC 结构初现雏形，值得关注的是其所有的功能层皆为无机材料，而且每个功能层自身稳定。

然而，所有的材料都稳定并非“大功告成”，用其组装出的太阳能电池却并不稳定。赵晓明发现，这是由于相邻功能层之间会有化学作用，导致了电池的退化。

为阻止因各个功能层因相互影响而导致 PSC 退化的情况，该团队在钙钛矿吸光层和电荷传输层之间，特别设计了一种新型的全无机二维缓冲层（厚度相当于几个原子），以阻挡化学成分在这两层之间移动。

“正是这薄薄的一个缓冲层，极大地提高了 PSC 的寿命。”他说道。根据论文结果，他们还将全无机 PSC 的功率转换效率从之前的 14.9% 提高至 17.4%。

他指出，虽然目前 PSC 的寿命还达不到商业化的标准，但领域内的研究者正在逐渐重视 PSC 的寿命问题，他们发现了许多重要的退化机理，并提出了一些提高稳定性的措施。PSC 的寿命也正在逐渐提高，从最初只有几分钟提高到了现在有几百甚至几千小时的寿命。

（来源：普林斯顿大学）

于是，赵晓明与团队也开始思考，当 PSC 变得越来越稳定，如何在合理的时间范围内测试其寿命呢？科学家希望 PSC 具备 20 年的使用寿命，但考虑到现实的时间成本，并不可能将电池实际测试 20 年。因此，必须开发出一种加速老化的方法来测试其寿命。

实际上，国际上针对硅电池的寿命有成熟的加速老化测试系统，通常需要几天或几周的测试就可能预测出其未来 20 年的寿命。但是，目前并没有针对 PSC 的加速老化测试系统。“因此，我们想开发一套可靠的、专门针对 PSC 的加速老化测试系统来预测其寿命。”赵晓明说。

据介绍，该研究首次报道了钙钛矿电池的加速老化，但以往的研究中，在相应加速老化测试平台的搭建上并没有太多资料供该团队参考。“为了实现这个平台，我向做有机光伏加速老化的同事请教了许多。经过反复的调试与实验，我和同事们终于成功搭建了加速老化测试平台。”他说。

此外，赵晓明与团队选取几种在正常老化条件下表现不错的 PSC，进行了加速老化的研究。在电池做好后，他们将其放入该加速老化系统中进行测试，然后进行数据分析。等电池退化后，再将它取出来进行其他方面的表征，从而得到其退化的机理。

▲图丨器件结构和光伏特性（来源：Science）

该团队对有机太阳能电池（另外一种新型太阳能电池）的加速老化进行了深入的探索，他们在前期经验的基础上，根据 PSC 的一种独特的退化机理（离子迁移），设计出专门针对 PSC 的加速老化测试系统。

他们选用温度作为加速条件。通过高温来加速 PSC 的退化，然后根据阿伦尼乌斯热激活关系导出加速指数，再通过加速指数反推出 PSC 在正常温度下的寿命。该团队通过该方法预测，PSC 在 35℃（95℉）下连续运行的内在寿命为 51000±7000 小时（5 年以上）。“这可以相当于在外部环境下 30 年的使用寿命。”赵晓明说。

将丰富 PSC 的加速老化测试系统，适应市场商业化需求

对于该研究的后续研究，一方面，该团队计划针对不同体系 PSC 的加速老化继续研究，以丰富 PSC 的加速老化测试系统；另一方面，他们还以进一步提高 PSC 的效率和稳定性为目标，使其更适应商业化需求。

赵晓明表示，“利用温度的加速老化稳定性测试系统可以成为利用其它参数（例如强光照或者电偏压）进行 PSC 加速老化的研究，以及开发其它类型太阳能电池的加速老化测试系统提供参考。”

▲图丨二维钙钛矿覆盖层的表征（来源：Science）

目前，国内外已经相继出现多家初创企业进行 PSC 的产业化尝试，虽然截至目前还没有 PSC 的商业产品问世，但随着技术的逐渐突破，民用 PSC 产品值得期待。

赵晓明认为，PSC 商业化发展所需要的技术突破有以下四点：

第一，解决 PSC 的寿命问题。“随着领域对该问题越来越重视，我相信我们很快就能看到寿命满足商业化标准的 PSC。”他说。

第二，大批量、大面积生产工艺的优化。和实验室中的小面积 PSC 不同，应用于现实世界中的 PSC 都是大面积的太阳能模组。目前在实验室中，当制备大面积 PSC 或者模组时，其性能相较于小面积 PSC 一般都有相当程度的下降。因此，需要进一步优化 PSC 的放大生产工艺。

▲图丨在高温下运行的 PSC 加速老化（来源：Science）

第三，PSC 制造成本进一步降低。相较硅电池和其他商业化的电池技术，PSC 的优势是其可在低温下制备，因此耗能低。在此基础上，进一步降低关键材料的造价，以及进一步简化 PSC 的制备过程，可以使 PSC 的成本进一步降低，从而在和其他太阳能电池技术的市场竞争中获得优势。

第四，“特殊” PSC 的商业化。赵晓明认为，受益于钙钛矿带隙可调的特性，科学家可设计出只吸收特定波长的光的钙钛矿，从而可以调节钙钛矿的颜色，甚至将钙钛矿太阳能电池做成透明状，而这点硅电池做不到。

近期，赵晓明还与团队报道了一种“特殊”的 PSC，其外观完全透明，看起来和玻璃几乎没有区别，但却可以用来发电[10]。“如果未来高楼大厦的外饰玻璃都换成我们这种 PSC，那么，其每天所产生的电能将十分可观。这也更有利于人们应对能源危机，我认为这种特殊的 PSC 也将会受到市场和消费者欢迎。”他说。

脚踏实地，将继续 PSC 相关研究

“钙钛矿太阳能电池很有应用前景，我希望能更深入地了解这个技术，并且尝试用自己所学对其发展做出一些贡献。”抱着这样的想法，赵晓明开启了他的科研之路。

他本科和硕士毕业于天津大学化工学院，导师为王世荣教授。博士阶段在伦敦大学玛丽女王学院就读，师从约翰·丹尼斯（John Dennis）教授。博士毕业后，他来到普林斯顿大学化学和生物工程系进行博后研究工作至今，合作导师为卢月玲教授。

▲图丨赵晓明与其所在团队（来源：赵晓明）

他认为，注重自己独立思考的能力，然后也要学会如何与同事导师交流。更重要的是，搞科研要脚踏实地。

接下来，赵晓明与团队将继续 PSC 的相关研究，这次他们通过比较不同结构的 PSC 的寿命，发现了很多有趣现象。“我们正在准备相应的论文，希望能将这些意外地发现也分享给领域内的同事们。”他说。