全明星阵容丨拯救科研危机，59名科学家联名呼吁钙钛矿测试标准！
化小草
2020-06-10
导读：钙钛矿太阳能电池最高效率已达到25.2%，接近单晶硅的最高效率。由于其低廉的制备成本，被业界认为有希望打破硅太阳能电池的垄断地位。然而钙钛矿电池的稳定性却差于硅电池，目前文献普遍报道的钙钛矿电池的操作寿命仅有1-2年，远低于商用要求的20-25年寿命。同时，虽然研究钙钛矿太阳能电池稳定性的文章越来越多，但是由于不同实验室采用不同的测试条件、对照组的非唯一性，以及统计方法的差异，使得现有的稳定性数据难以进行直接比较。下面将捋一捋近年来钙钛矿稳定性测试标准建立的进展。2018年1月，瑞士洛桑联邦大学Wolfgang Tress和Konrad Domanski提出，现有的IEC61215标准更多用于评估光伏组件，特别是评估外界因素对电池的影响，现阶段IEC61215在新型太阳能材料的研究上不具有适用性。作者从统计学的角度比较了光源、气体氛围、温度、电偏压以及暗态恢复等因素对寿命评估的影响。
2018年6月，牛津大学Henry Snaith和美国国家可再生能源实验室Peter Hacke撰文指出：Ÿ 现有IEC61215标准，更新慢，适用性窄，不能直接用于新型光伏材料的研究；Ÿ 钙钛矿电池稳定性测试需要额外考虑的因素，如光照、温度、湿度、氧气分压等；Ÿ 钙钛矿电池在不同老化环境下加速因子的测定，从而根据不同环境下的稳定性数据外推预测真实环境下的电池寿命。
2018年6月，瑞士弗里堡大学Michael Saliba和德国柏林亥姆霍兹能源中心Antonio Abate提出几个稳定性测试的建议：Ÿ 光电转换效率（PCE）应通过最大功率点（MPP）获得，而不是电流密度-电压曲线（J-V）中获得，因为钙钛矿器件迟滞作用会使J-V得到的PCE虚高；Ÿ 提出新T80计算方法：钙钛矿器件放置在黑暗条件下效率会发生可逆恢复，在计算T80时需要考虑进去。
2018年8月，美国国家可再生能源实验室Joseph Berry和Joseph Luther提出，太阳能电池的稳定性评估应分为三个层次，材料、器件和组件。不同层次对于不同的测试标准，考量不一样的影响因素，因此不能将高层次的标准生搬硬套在较低层次。Ÿ 材料老化：不需要标准化条件，目的是研究钙钛矿材料的本征稳定性。Ÿ 器件老化：需要标准化条件，目的是研究钙钛矿电池器件的操作稳定性。Ÿ 组件老化：需要按照IEC标准，目的是研究钙钛矿组件的环境稳定性和封装材料稳定性。2018年12月，加利福尼亚大学洛杉矶分校杨阳联合中科院半导体研究所游经碧发文呼吁稳定性测试的标准化和加速老化条件的建立。他们通过比较硅和钙钛矿的成本，以及平准化度电成本LCOE (levelized cost of energy) ，粗略预估钙钛矿电池需要拥有至少15年工作寿命才可以把硅pk下去。20年1月，巴塞罗那材料科学研究所Monica Lira-Cantu等59名学者，共同声明钙钛矿太阳能电池稳定性评估方法。他们在国际有机光伏稳定性峰会ISOS的基础上，提出几条专门针对钙钛矿稳定性测试的修订。Ÿ 光暗循环（ISOS-LC）：由于在黑暗条件下钙钛矿电池效率会发生可逆恢复，同时为了更好模拟真实生活中的昼夜环境，他们在已有光浸泡（ISOS-L）基础上，新增暗态条件，即亮暗交替进行稳定性测试。Ÿ 暗态下的电场偏压（ISOS-V）：由于电偏压会诱导离子迁移、电荷聚集等现象，使钙钛矿发生降解，而且实际操作中需要长时间给电池施加一个功率最大点附近的电压值，因此需要跟踪不同偏压下钙钛矿的稳定性。Ÿ 本征稳定性（ISOS-I）：由于钙钛矿对外界环境特别敏感，气体氛围对稳定性影响很大，他们建议在研究钙钛矿本征稳定性时将电池放置于惰性气体氛围中（如氮气、氩气）。例如惰性氛围下的光暗循环（ISOS-LC-I），电偏压（ISOS-V-I）。另外，文章也对Ts80的统计进行规范化，以器件效率刚发生线性衰减的点作为寿命的起点，计算从此点开始PCE下降20%所需要的时间。他们也呼吁不同老化条件下钙钛矿电池加速因子（acceleration factor, AF）的建立，以此来推出不同条件下测试数据的预估寿命值。同时，他们希望世界各课题组可以将稳定性数据共享，建立大型数据库，采用机器学习方法去建立更好的稳定性模型。 不同于IEC 61215，ISOS不是为了建立标准质检方法，而是为了让不同实验室的测试结果具有可比性，提高文章上发表数据的质量和关联性。如果研究者都用不具有代表性非标准化的老化测试标准，去得到一个没有衰减的电池器件，这将是一个挺严重的科研危机，非常不利于材料的发展和实现商业应用。[1] Domanski, et al. Systematic investigation of the impact of operation conditions on the degradation behaviour of perovskite solar cells. Nat Energy 3, 61–67 (2018).https://doi.org/10.1038/s41560-017-0060-5[2] Snaith, Hacke, P. Enabling reliability assessments of pre-commercial perovskite photovoltaics with lessons learned from industrial standards. Nat Energy 3, 459–465 (2018).https://doi.org/10.1038/s41560-018-0174-4[3] Saliba, et al., Measuring Aging Stability of Perovskite Solar Cells, Joule (2018),https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.05.005[4] Christians, et al., Stability in Perovskite Photovoltaics: A Paradigm for Newfangled Technologies. ACS Energy Lett. 2018, 3, 2136−2143. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.8b00914[5] Meng, L., You, J. & Yang, Y. Addressing the stability issue of perovskite solar cells for commercial applications. Nat Commun 9, 5265 (2018). https://doi.org/10.1038/s41467-018-07255-1[6] Khenkin, M.V., Katz, E.A., Abate, A. et al. Consensus statement for stability assessment and reporting for perovskite photovoltaics based on ISOS procedures. Nat Energy 5, 35–49 (2020). https://doi.org/10.1038/s41560-019-0529-5
