第一作者：何思斯博士、丘龍斌博士、Luis K. Ono 博士
通訊作者： 戚亞冰教授
通訊單位：日本沖繩科學技術大學院大學（OIST）
論文DOI：https://doi.org/10.1016/j.mser.2020.100545
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鈣鈦礦太陽能電池的效率近年來得到了快速的提升，然而其較短的工作壽命是限制其應用的主要挑戰。本文綜述了鈣鈦礦太陽能電池及組件的穩定性測試策略，通過分析文獻中關於連續光照最大功率點輸出測試、光/暗態循環測試、熱/冷循環測試、極端高溫高濕環境測試等穩定性測試策略，分析了影響鈣鈦礦太陽能電池穩定性的內在因素以及外部環境因素，對比了不同穩定性測試策略下鈣鈦礦太陽能電池的穩定性，並總結計算了文獻中鈣鈦礦太陽能電池及組件的效率衰減曲線。本文採用達到10年工作壽命為鈣鈦礦太陽能電池及組件技術成熟的標誌，討論分析了進一步提升鈣鈦礦電池及組件穩定性的策略。
背景介紹
鈣鈦礦太陽能電池自從首次報導以來備受關注。近幾年，鈣鈦礦太陽能電池的能量轉換效率得到了快速的提升，現已接近晶體矽太陽能電池，而且鈣鈦礦太陽能電池的成本優勢明顯，預計相比於其他光伏技術更低。其中，鈣鈦礦太陽能電池的使用成本與其使用壽命及效率相關，如果可使其使用壽命長達10年或更長，可極大降低鈣鈦礦太陽能電池成本。因此，如何實現高效、穩定的鈣鈦礦太陽能電池，是目前迫切需要解決的問題。但目前關於鈣鈦礦太陽能電池及組件的穩定性測試並沒有統一標準，因此不利於將不同實驗組之間得到的結果進行對比。分析討論不同的測試方式對於鈣鈦礦太陽能電池及組件穩定性的研究是需要解決的一個重要問題，可有利於我們分析影響其穩定的因素，從而進一步實現穩定性的進一步提高。影響鈣鈦礦太陽能電池及組件穩定性的因素有很多。一方面，穩定性受到其內在因素以及外部環境因素的影響，其中內部因素主要為鈣鈦礦材料的熱穩定性、光穩定性、離子遷移以及缺陷等因素的影響；外部環境因素包括日夜的光/暗態循環、冷/熱溫度循環、極端高溫高濕環境、環境水汽以及惡劣天氣狀況下的機械衝擊等因素的影響。另一方面，組成鈣鈦礦太陽能電池及組件的其他功能性材料如電子傳輸層、空穴傳輸層、電極以及封裝材料等也是影響其穩定性的重要部分。如何進一步提高鈣鈦礦光伏器件轉換效率和穩定性是研究人員不斷思考的問題。
綜述出發點
基於鈣鈦礦太陽能電池的穩定性挑戰，我們將使用壽命達到10年作為鈣鈦礦電池及組件作為技術成熟的一個標誌，綜述總結了鈣鈦礦電池及組件穩定性測試的策略，分析了鈣鈦礦電池及組件性能衰減曲線，討論了鈣鈦礦器件性能衰減的機制，並進一步探討了提升鈣鈦礦電池及組件穩定性的策略。
Fig. 1. Comparison of degradation rates among the several photovoltaic technologies
圖文解析
1. 鈣鈦礦太陽能電池穩定性測試的策略
首先，太陽能電池的工作壽命應該是在連續光照條件下測試，在暗環境下測試得到的儲存壽命並不能夠表示鈣鈦礦電池的穩定性。由於鈣鈦礦太陽能電池存在遲滯效應，為了更準確的測試鈣鈦礦電池的穩定性，我們提出使用逐步電壓變化測試穩定輸出電流的方式獲得鈣鈦礦電池正掃及反掃狀態下的電流-電壓曲線，通過該曲線可得到最大功率點。測試過程中一直將該鈣鈦礦電池保持在最大功率點，因為最大功率點可能會隨時間變化，所以需要間隔一段時間重新測試其最大功率點，並將最大功率點得到的效率對時間進行匯總，可獲得其性能衰減曲線，通過其衰減曲線可進一步推導其使用壽命。
Fig. 2. Light/dark cycle lifetime measurements for PSCs.
典型的鈣鈦礦電池性能衰減曲線由兩部分組成，第一部分為指數衰減，第二部分為線性衰減。通過光/暗狀態循環測試，研究發現第一部分指數衰減的性能可恢復，從而可通過使用第二部分線性衰減部分來推導其使用壽命。其中，當性能衰減至初始性能80%時，作為器件已達到使用壽命的標誌（T80）。當使用線性衰減部分推導其使用壽命時，初始性能為指數衰減後性能穩定的點Ts，其使用壽命為穩定使用壽命TS80。
極端高溫高濕環境也是光伏器件穩定性測試的一個重要方式，材料的熱穩定性、器件的封裝質量、以及器件環境穩定性都是影響器件測試穩定性的重要因素。傳統的極端高溫高濕穩定性測試是在環境箱中，暗態下測試，為儲存性能。由於鈣鈦礦電池光照下的不穩定性，連續光照下極端高溫高濕穩定性測試將更能夠說明鈣鈦礦電池的工作穩定性。另一方面，冷/熱循環測試也是光伏器件環境穩定性測試的重要方式，疊層結構中不同材料的熱膨脹係數不同，在冷/熱循環中疊層結構的脫離，以及封裝結構的脫離是影響器件穩定性的重要因素。
2. 鈣鈦礦太陽能電池穩定性的現狀及預測
Fig. 3. Light induced effect on perovskite materials and related device long term stability.
通過分析其他成熟的光伏技術的使用壽命以及性能衰減函數，並結合全球日照能量數據，可採用光伏組件每年的工作時長等同於在AM
1.5G光照下工作1900小時，進而通過分析實驗室中鈣鈦礦電池及組件的性能衰減曲線，可計算得到鈣鈦礦電池及組件的工作壽命，並推導得到在真實環境中的使用年限。綜述文章中圖9總結了文獻中鈣鈦礦電池及組件的衰減速率對於發表年的函數以及對於能量轉換效率的函數，其中，衰減速率2%/年對應於10年的使用壽命。鈣鈦礦電池及組件的性能衰減速率在逐步降低，並逐漸接近10年的使用壽命。
3. 鈣鈦礦太陽能電池穩定性的影響因素 影響鈣鈦礦電池性能的因素包含內在因素以及外部環境因素。其中，內在因素與其熱穩定性、光穩定性以及離子遷移、缺陷態等相關。外部環境因素則主要與環境中的水、外部電場、以及電子傳輸材料、空穴傳輸材料與金屬電極等功能性材料相關。
4. 提升鈣鈦礦太陽能電池穩定性的策略最後，基於鈣鈦礦電池性能衰減機制的討論，我們綜述了提升鈣鈦礦太陽能電池及組件穩定性的策略。主要包括了設計合成不含有不可逆降解路徑的鈣鈦礦材料；設計使用全無機的鈣鈦礦材料；設計使用混合陽離子以及混合鹵素離子的鈣鈦礦材料；使用添加劑的策略；設計使用更穩定的功能性能材料，如碳電極等；發展合適的封裝技術；以及使用二維和二維/三維雜化的鈣鈦礦材料等策略。
Fig. 4. Effect of additive and post passivation strategies for the perovskite crystal film quality and stability.
總結與展望
我們綜述了鈣鈦礦太陽能電池及組件的穩定性測試策略，並分析了鈣鈦礦電池在連續光照下性能的衰減曲線，採用光伏性能線性衰減至80%的時間作為使用壽命的標誌，結合1900 kWh的年日照能量，推導了鈣鈦礦電池及組件的使用年數。我們採用10年的使用年數作為鈣鈦礦電池及組件技術成熟的標誌，分析了鈣鈦礦電池及組件使用壽命的研究進展以及與10年使用壽命的距離。基於對鈣鈦礦電池及組件性能衰減機制的討論與分析，提出了提升鈣鈦礦電池及組件穩定性的策略。本綜述為鈣鈦礦電池以及組件的穩定性與使用壽命測試提供了理論依據，也為製備高穩定性的鈣鈦礦電池提供了新的思路。
作者介紹
戚亞冰博士，日本沖繩科學技術大學院大學（OIST）能源材料與表面科學研究團隊學術帶頭人（PI）、教授、博士生導師、英國皇家化學學會會士（Fellow of the Royal Society of
Chemistry，FRSC）。2000年於南京大學取得學士學位，2002年於香港科技大學取得碩士學位，2008年於美國加州大學伯克利分校取得博士學位，2008年至2011年在美國普林斯頓大學進行博士後研究。2011年起就職於日本沖繩科學技術研究所。 研究領域包括研發新一代低成本高性能能源轉化材料（如鈣鈦礦太陽能電池）, 儲能材料（如鋰離子電池）以及利用表面科學和先進表征技術（XPS, UPS,
IPES, STM, AFM等）來研究能源器件中的表介面問題。在國際重要學術期刊上已發表SCI論文140餘篇，其中以通訊作者在領域內主要雜誌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等雜誌上發表論文90餘篇，多篇論文為ESI高被引論文，並有11篇論文被選為雜誌封面。在重要國際會議上作特邀報告50餘次，並作為會議主席或主要組織者組織了International Symposium on Organic Electronics，International Symposium on
Functional Materials、International Symposium on Energy Science and Technology、美國材料學會年會（MRS Meetings）鈣鈦礦太陽能電池分會等多次國際會議，2017年獲日本材料學會頒發的青年科學家獎。
課題組網站：https://groups.oist.jp/emssu.