近年來，有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦（如MAPbI3）太陽能電池得到飛速發(fā)展，已經(jīng)達(dá)到25.5%的光電轉(zhuǎn)換效率，但鈣鈦礦材料的本征穩(wěn)定性，尤其是鈣鈦礦材料在外界刺激下發(fā)生的離子解離及遷移過程加速了器件的降解速度，極大地限制了鈣鈦礦光伏技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。在鈣鈦礦太陽能電池的運行過程中，離子解離及遷移過程會產(chǎn)生大量缺陷態(tài)，影響器件性能。為此，研究人員試圖通過光譜表征手段揭示鈣鈦礦材料在光照下新生缺陷的演化過程，進(jìn)而揭示器件的降解機(jī)制，為提高鈣鈦礦材料本征穩(wěn)定性的研究指明方向。Advanced Materials最近發(fā)表了由新加坡國立大學(xué)（NUS）太陽能研究所（SERIS）、香港城市大學(xué)及北京大學(xué)的研究人員合作完成的研究論文“Revealing the Degradation and Self‐Healing Mechanisms in Perovskite Solar Cells by Sub‐Bandgap External Quantum Efficiency Spectroscopy”(DOI：10.1002/adma.202006170)。該工作通過高靈敏的sub-bandgap external quantum efficiency (s-EQE)亞帶隙外量子效率光譜技術(shù)系統(tǒng)地研究了MAPbI3鈣鈦礦太陽能電池在老化過程中的離子解離及遷移過程。通過對器件老化后的s-EQE光譜進(jìn)行Gaussian model擬合，確定器件老化過程中的新生缺陷，并結(jié)合理論計算的各類缺陷的能級位置揭示MAPbI3鈣鈦礦太陽能電池的降解機(jī)制（圖1）。

圖1. s-EQE光譜揭示鈣鈦礦老化過程中新生缺陷屬性原理圖

研究人員發(fā)現(xiàn)不同電極材料的器件在老化過程中會產(chǎn)生不同能級位置的缺陷態(tài)。在外界環(huán)境如光照、溫度、電場等作用下MAPbI3材料首先發(fā)生離子解離及遷移，形成空位、間隙及反位缺陷。對于Ag電極器件，由于Ag會與I-離子發(fā)生反應(yīng)，消耗I-離子，加速離子解離及遷移過程，加速器件降解速率。對于ITO電極器件，解離的離子無法消耗，堆積于器件界面，抑制進(jìn)一步的離子解離及遷移過程。若ITO器件儲存在黑暗環(huán)境下，這些聚集的離子有機(jī)會遷移到相應(yīng)的缺陷態(tài)，實現(xiàn)鈣鈦礦材料的自修復(fù)（圖2）。

本研究結(jié)果表明，雖然鈣鈦礦材料在外界環(huán)境下難免發(fā)生離子解離及離子遷移，但只要游離的離子未與器件的其他功能層材料或電極發(fā)生反應(yīng)，這些游離的離子會抑制鈣鈦礦內(nèi)部繼續(xù)發(fā)生離子解離及遷移，使器件保持穩(wěn)定。在經(jīng)歷黑暗儲存后，這些游離的離子有機(jī)會修復(fù)相應(yīng)的缺陷態(tài)，實現(xiàn)器件性能的自修復(fù)?？紤]到自然的日夜交替，本研究揭示的鈣鈦礦器件的自修復(fù)機(jī)制將為鈣鈦礦光伏器件的實際應(yīng)用產(chǎn)生推動作用。此外，本工作也表明開發(fā)新型金屬氧化物透明電極材料將成為提高鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的一個重要手段，特別是該類電極材料還可直接用于鈣鈦礦疊層電池技術(shù)。