第一作者：何思斯博士、丘龙斌博士、Luis K. Ono 博士
通讯作者：
戚亚冰教授
通讯单位：日本冲绳科学技术大学院大学（OIST）
论文DOI：
https://doi.org/10.1016/j.mser.2020.100545
钙钛矿太阳能电池的效率近年来得到了快速的提升，然而其较短的工作寿命是限制其应用的主要挑战。本文综述了钙钛矿太阳能电池及组件的稳定性测试策略，通过分析文献中关于连续光照最大功率点输出测试、光
/
暗态循环测试、热
/
冷循环测试、极端高温高湿环境测试等稳定性测试策略，分析了影响钙钛矿太阳能电池稳定性的内在因素以及外部环境因素，对比了不同稳定性测试策略下钙钛矿太阳能电池的稳定性，并总结计算了文献中钙钛矿太阳能电池及组件的效率衰减曲线。本文采用达到
10
年工作寿命为钙钛矿太阳能电池及组件技术成熟的标志，讨论分析了进一步提升钙钛矿电池及组件稳定性的策略。
钙钛矿太阳能电池自从首次报道以来备受关注。近几年，钙钛矿太阳能电池的能量转换效率得到了快速的提升，现已接近晶体硅太阳能电池，而且钙钛矿太阳能电池的成本优势明显，预计相比于其他光伏技术更低。其中，钙钛矿太阳能电池的使用成本与其使用寿命及效率相关，如果可使其使用寿命长达
10
年或更长，可极大降低钙钛矿太阳能电池成本。
因此，如何实现高效、稳定的钙钛矿太阳能电池，是目前迫切需要解决的问题。
但目前关于钙钛矿太阳能电池及组件的稳定性测试并没有统一标准，因此不利于将不同实验组之间得到的结果进行对比。
分析讨论不同的测试方式对于钙钛矿太阳能电池及组件稳定性的研究是需要解决的一个重要问题，可有利于我们分析影响其稳定的因素，从而进一步实现稳定性的进一步提高。
影响钙钛矿太阳能电池及组件稳定性的因素有很多。一方面，稳定性受到其内在因素以及外部环境因素的影响，其中内部因素主要为钙钛矿材料的热稳定性、光稳定性、离子迁移以及缺陷等因素的影响；外部环境因素包括日夜的光
/
暗态循环、冷
/
热温度循环、极端高温高湿环境、环境水汽以及恶劣天气状况下的机械冲击等因素的影响。另一方面，组成钙钛矿太阳能电池及组件的其他功能性材料如电子传输层、空穴传输层、电极以及封装材料等也是影响其稳定性的重要部分。如何进一步提高钙钛矿光伏器件转换效率和稳定性是研究人员不断思考的问题。
基于钙钛矿太阳能电池的稳定性挑战，我们将使用寿命达到
10
年作为钙钛矿电池及组件作为技术成熟的一个标志，综述总结了钙钛矿电池及组件稳定性测试的策略，分析了钙钛矿电池及组件性能衰减曲线，讨论了钙钛矿器件性能衰减的机制，并进一步探讨了提升钙钛矿电池及组件稳定性的策略。
Fig. 1
. Comparison of degradation rates among the several photovoltaic technologies
首先，太阳能电池的工作寿命应该是在连续光照条件下测试，在暗环境下测试得到的储存寿命并不能够表示钙钛矿电池的稳定性。由于钙钛矿太阳能电池存在迟滞效应，为了更准确的测试钙钛矿电池的稳定性，我们提出使用逐步电压变化测试稳定输出电流的方式获得钙钛矿电池正扫及反扫状态下的电流
-
电压曲线，通过该曲线可得到最大功率点。测试过程中一直将该钙钛矿电池保持在最大功率点，因为最大功率点可能会随时间变化，所以需要间隔一段时间重新测试其最大功率点，并将最大功率点得到的效率对时间进行汇总，可获得其性能衰减曲线，通过其衰减曲线可进一步推导其使用寿命。
Fig. 2
. Light/dark cycle lifetime measurements for PSCs.
典型的钙钛矿电池性能衰减曲线由两部分组成，第一部分为指数衰减，第二部分为线性衰减。通过光
/
暗状态循环测试，研究发现第一部分指数衰减的性能可恢复，从而可通过使用第二部分线性衰减部分来推导其使用寿命。其中，当性能衰减至初始性能
80%
时，作为器件已达到使用寿命的标志（
T
80
）。当使用线性衰减部分推导其使用寿命时，初始性能为指数衰减后性能稳定的点
Ts
，其使用寿命为稳定使用寿命
T
S80
。
极端高温高湿环境也是光伏器件稳定性测试的一个重要方式，材料的热稳定性、器件的封装质量、以及器件环境稳定性都是影响器件测试稳定性的重要因素。传统的极端高温高湿稳定性测试是在环境箱中，暗态下测试，为储存性能。由于钙钛矿电池光照下的不稳定性，连续光照下极端高温高湿稳定性测试将更能够说明钙钛矿电池的工作稳定性。另一方面，冷
/
热循环测试也是光伏器件环境稳定性测试的重要方式，叠层结构中不同材料的热膨胀系数不同，在冷
/
热循环中叠层结构的脱离，以及封装结构的脱离是影响器件稳定性的重要因素。
Fig. 3. Light induced effect on perovskite materials and related device long term stability.
通过分析其他成熟的光伏技术的使用寿命以及性能衰减函数，并结合全球日照能量数据，可采用光伏组件每年的工作时长等同于在
AM 1.5G
光照下工作
1900
小时，进而通过分析实验室中钙钛矿电池及组件的性能衰减曲线，可计算得到钙钛矿电池及组件的工作寿命，并推导得到在真实环境中的使用年限。综述文章中图
9
总结了文献中钙钛矿电池及组件的衰减速率对于发表年的函数以及对于能量转换效率的函数，其中，衰减速率
2%/
年对应于
10
年的使用寿命。钙钛矿电池及组件的性能衰减速率在逐步降低，并逐渐接近
10
年的使用寿命。
影响钙钛矿电池性能的因素包含内在因素以及外部环境因素。其中，内在因素与其热稳定性、光稳定性以及离子迁移、缺陷态等相关。外部环境因素则主要与环境中的水、外部电场、以及电子传输材料、空穴传输材料与金属电极等功能性材料相关。
最后，基于钙钛矿电池性能衰减机制的讨论，我们综述了提升钙钛矿太阳能电池及组件稳定性的策略。主要包括了设计合成不含有不可逆降解路径的钙钛矿材料；设计使用全无机的钙钛矿材料；设计使用混合阳离子以及混合卤素离子的钙钛矿材料；使用添加剂的策略；设计使用更稳定的功能性能材料，如碳电极等；发展合适的封装技术；以及使用二维和二维
/
三维杂化的钙钛矿材料等策略。
Fig. 4
.
Effect of additive and post passivation strategies for the perovskite crystal film quality and stability.
我们综述了钙钛矿太阳能电池及组件的稳定性测试策略，并分析了钙钛矿电池在连续光照下性能的衰减曲线，采用光伏性能线性衰减至
80%
的时间作为使用寿命的标志，结合
1900 kWh
的年日照能量，推导了钙钛矿电池及组件的使用年数。我们采用
10
年的使用年数作为钙钛矿电池及组件技术成熟的标志，分析了钙钛矿电池及组件使用寿命的研究进展以及与
10
年使用寿命的距离。基于对钙钛矿电池及组件性能衰减机制的讨论与分析，提出了提升钙钛矿电池及组件稳定性的策略。本综述为钙钛矿电池以及组件的稳定性与使用寿命测试提供了理论依据，也为制备高稳定性的钙钛矿电池提供了新的思路。
戚亚冰博士，日本冲绳科学技术大学院大学（
OIST
）能源材料与表面科学研究团队学术带头人（
PI
）、教授、博士生导师、英国皇家化学学会会士（
Fellow of the Royal Society of Chemistry
，
FRSC
）。
2000
年于南京大学取得学士学位，
2002
年于香港科技大学取得硕士学位，
2008
年于美国加州大学伯克利分校取得博士学位，
2008
年至
2011
年在美国普林斯顿大学进行博士后研究。
2011
年起就职于日本冲绳科学技术研究所。
研究领域包括研发新一代低成本高性能能源转化材料（如钙钛矿太阳能电池）
,
储能材料（如锂离子电池）以及利用表面科学和先进表征技术（
XPS, UPS, IPES, STM, AFM
等）来研究能源器件中的表界面问题。在国际重要学术期刊上已发表
SCI
论文
140
余篇，其中以通讯作者在领域内主要杂志
Science
、
Nat. Energy
、
Nat. Commun.
、
J. Am. Chem. Soc.
、
Angewandte Chemie
、
Energy Environ. Sci.
、
Adv. Mater
.
、
Adv. Funct. Mater
.
、
Adv. Energy Mater.
、
Joule
、
ACSEnergy Lett.
、
Nano Energy
等杂志上发表论文
90
余篇，多篇论文为
ESI
高被引论文，并有
11
篇论文被选为杂志封面。在重要国际会议上作特邀报告
50
余次，并作为会议主席或主要组织者组织了
International Symposium on Organic Electronics
，
International Symposium on Functional Materials
、
International Symposium on Energy Science and Technology
、美国材料学会年会（
MRS Meetings
）钙钛矿太阳能电池分会等多次国际会议，
2017
年获日本材料学会颁发的青年科学家奖。
课题组网站：
https://groups.oist.jp/emssu.
