摘要：金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）由于其卓越的光电性能和低成本制造优势，近年来成为太阳能领域的研究热点。特别是其功率转换效率（PCE）已经接近27%，与传统硅太阳能电池相媲美。然而，钙钛矿太阳能电池的长期稳定性和耐久性仍然是制约其实际应用的主要瓶颈之一。温

研究背景

金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）由于其卓越的光电性能和低成本制造优势，近年来成为太阳能领域的研究热点。特别是其功率转换效率（PCE）已经接近27%，与传统硅太阳能电池相媲美。然而，钙钛矿太阳能电池的长期稳定性和耐久性仍然是制约其实际应用的主要瓶颈之一。温度对钙钛矿材料和电池的性能有着显著的影响，随着太阳能电池的商业化，电池在日常运行中会经历温度的波动，特别是在极端的气候条件下，这种温度变化对材料和器件的稳定性产生了负面影响。因此，研究钙钛矿太阳能电池在温度影响下的性能变化及其稳定性显得尤为重要。

成果简介

基于此，德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心李桂香博士、Antonio Abate教授、巴斯克大学Jorge Pascual教授、河南大学李萌教授等人合作总结并提出了优化材料晶体结构、引入缓冲层以及调整电荷传输层（CTL）热稳定性等策略。该成果以“Resilience pathways for halide perovskite photovoltaics under temperature cycling”为题，发表在《Nature Reviews Materials》期刊上。

研究亮点

1、揭示温度对钙钛矿太阳能电池的影响机制：本研究深入分析了温度循环对钙钛矿太阳能电池的影响，特别是在温度变化下，钙钛矿层和电荷传输层的相变、晶格应变以及界面变化。

2、提出优化策略以增强温度循环稳定性：研究提出了几种增强钙钛矿太阳能电池稳定性的有效策略，如通过改善晶体结构、引入缓冲层以缓解热应力，并利用分子工程技术来提高材料的热稳定性。

3、为未来的钙钛矿光伏标准化测试提供框架：本研究还提出了优化温度循环测试的标准化方法，为跨实验室的对比研究和钙钛矿光伏设备的稳定性评估提供了一个统一的平台。

图文导读

图1 循环温度对钙钛矿结构的影响

图1展示了钙钛矿光伏设备在温度循环下的结构变化。温度循环对钙钛矿材料和光伏器件有不同的影响。在钙钛矿器件堆叠中，受温度循环影响最大的层是钙钛矿层和电荷传输层（CTL）。在钙钛矿层中，相变与温度有关，并受到钙钛矿成分的强烈影响。温度循环可能导致应变引起的不可逆相变和晶格畸变。此外，温度循环促进了钙钛矿组分与CTL及其界面的相互作用、扩散和渗透。由于温度引起的CTL的动态波动会对钙钛矿层施加额外的应变。最后，温度对光伏参数有直接影响。虽然温度对光伏参数的影响通常是可逆的，但连续循环会导致性能永久下降。

图2 温度对钙钛矿结构的影响

图2展示了钙钛矿光伏材料在温度循环过程中相变的行为，重点揭示了温度变化对钙钛矿晶体结构和光电性能的影响。在图2a中，展示了基于不同温度条件下的钙钛矿材料的晶体相变过程。随着温度的升高，钙钛矿材料的立方相会转变为四方相，这种相变是可逆的，但在过高的温度下，钙钛矿材料可能会发生不可逆的相变，转化为无光活性的六方相或PbI2。图2b进一步通过广角X射线散射轮廓，突出了PbI2峰的出现（钙钛矿降解和相变）。图2c则展示了通过高角环形暗场（HAADF）图像和能谱分析，揭示了不同温度条件下钙钛矿材料中的铅和碘元素的分布。随着温度的变化，材料中的元素分布发生了明显变化，这可能导致材料界面出现新的缺陷或应力点，进一步削弱设备的性能。

图3 器件性能参数随温度循环的演变

图3通过对比不同温度下钙钛矿光伏器件的性能数据，详细展示了温度循环如何影响设备的功率转换效率（PCE）、开路电压（VOC）、短路电流（JSC）和填充因子（FF）。图3a展示了不同温度条件下，这些关键性能指标的分布情况，指出随着温度的降低，PCE出现下降趋势，尽管VOC略有上升。图3b则通过热力学分析，解释了低温下VOC上升的原因，主要由于低温抑制了钙钛矿材料中的非辐射复合过程。图3c和3d进一步探讨了温度循环对设备性能的恢复能力，揭示了在一定的温度循环后，设备的性能虽然有所下降，但在恢复到常温时，性能会有部分恢复。然而，随着温度循环次数的增加，设备的PCE开始不可逆地下降，表明温度循环对钙钛矿光伏设备的长期性能稳定性构成了挑战。

图4 热循环下提高光伏性能的策略

图4展示了几种增强钙钛矿太阳能电池在温度循环下稳定性的策略。图4a通过引入小离子或点缺陷来减缓晶格应力，优化材料的热稳定性。图4b分析了缺陷形成能量（DFE）与晶格应力的关系，揭示了应力对缺陷稳定性的影响。图4c和4d展示了通过引入缓冲层来减小界面应力，避免因温度变化引发的层间剥离，从而提升设备的性能稳定性。图4e介绍了通过添加有序偶极子来缓解晶格应力，确保材料结构在温度波动中的稳定。图4f展示了利用柔性染料自组装单分子层（SAMs）来减缓温度变化引起的压缩和拉伸应力，提高材料的弹性。图4g则提出在钙钛矿层与电荷传输层之间添加聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）缓冲层，进一步减轻界面应力。这些策略通过优化材料的晶体结构和界面设计，有效减轻温度循环带来的负面影响，显著提高钙钛矿太阳能电池的耐久性和性能。

图5 现实世界昼夜周期下的光伏性能

图5展示了钙钛矿太阳能电池在真实环境下经历温度波动后的性能演变。该图通过户外测试数据，展示了在自然环境中，钙钛矿光伏器件的效率随时间变化的趋势。图5a显示了测试期间环境温度的变化，而图5b则展示了钙钛矿太阳能电池在户外使用条件下的功率转换效率（PCE）变化。研究发现，在户外环境中，钙钛矿电池的PCE在一定的时间周期内表现出一定的波动，但通过优化界面层材料，特别是采用具有离子阻隔特性的自组装单分子层（SAMs），能够有效提升设备在实际温度波动下的稳定性。这表明，尽管环境因素如温度和湿度的波动对设备性能产生影响，但通过合理的设计和材料选择，钙钛矿太阳能电池能够在复杂的实际环境中保持较好的工作表现。

图6 热循环曲线图谱

图6展示了推荐的钙钛矿光伏设备温度循环测试方案，特别是针对极端环境下的应用。该图提供了一个详细的测试温度范围从-40°C到85°C的温度循环方案，并规定了每个温度极值处的停留时间和温度变化速率。图中指出，温度循环的速率应控制在45°C/h到100°C/h之间，每个循环的持续时间应不超过6小时。

总结展望

本研究深入分析了温度循环对钙钛矿光伏设备稳定性和性能的影响，并提出了几种有效的改进策略。尽管钙钛矿光伏技术在效率方面取得了显著突破，但要实现其在实际应用中的长期稳定性，仍需解决与温度变化相关的诸多挑战。未来的研究应集中在提升材料的热稳定性、优化界面结构和增强温度变化引起的相变恢复能力。此外，研究还提出了建立统一的温度循环测试标准，这对于加速钙钛矿光伏技术的标准化和商业化具有重要意义。

文献信息

Resilience pathways for halide perovskite photovoltaics under temperature cycling. Nature Reviews Materials, https://doi.org/10.1038/s41578-025-00781-7.

来源：朱老师讲VASP