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米测MeLab

2026-03-09

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

编辑丨风云

研究背景

钙钛矿太阳能电池（PSCs）因高效率和低成本成为光伏领域的研究热点，但其在真实户外环境下的长期稳定性仍是商业化的主要障碍。现有的研究多关注恒定的热、光或湿度压力，而忽略了户外真实存在的周期性光照循环（如昼夜交替）对器件的影响。这种光循环会导致晶格应力积累和晶界（GB）破坏，从而加速器件降解。

关键问题

目前，光循环对PSCs的影响研究主要存在以下问题：

1、光循环诱导的应力积累与晶界破坏

在周期性光照下，钙钛矿薄膜晶界处会产生显著的物理应变和晶格畸变，导致化学键断裂、离子迁移及PbI₂等非活性相的形成，严重缩短了器件寿命。

2、紫外线驱动的不可逆损伤

模拟户外条件时，高能紫外光会造成更快速的性能衰减，且这种损伤在黑暗状态下难以完全恢复，现有的持续光照测试难以真实反映这种复杂的降解机制。

新思路

有鉴于此，河南大学李萌、那不勒斯费德里克二世大学Antonio Abate、斯图加特大学Michael Saliba、厦门大学王露遥和东南大学李桂香等人报告了一种提升晶界韧性的策略，实现了光电转换效率与长期运行耐用性的同步提升。通过在晶界集成光可切换异构体，利用光触发的动态损伤释放，抑制了重复光循环过程中的晶格键断裂和缺陷积累。这种方法稳定了三阳离子铅基钙钛矿晶格，使其免受光诱导畸变和降解。结果显示，PSCs在65°C含紫外线的光循环下运行2000小时，以及在-40°C至85°C的热循环500次后，仍保持其初始性能的95%以上，并实现了27.2%（认证为26.9%）的光电转换效率。

技术方案：

1、探究了光循环下的电池退化机制

研究团队建立了"快速光循环"协议，20小时循环即可模拟500小时MPPT降解，证实紫外线为核心诱因，光循环导致晶界针孔、PbI₂积聚及δ相形成，分子动力学揭示光能场诱导应力积累触发降解。

2、利用光切换异构体增强薄膜的动态韧性

组织引入光诱导可逆异构化添加剂Ca-Abz，通过E/Z型转变主动调节晶格参数缓冲应变，改性薄膜老化后平均应变仅0.10%，有效抑制了应力积累。

3、表明了电荷动力学优化与光伏性能提升

Ca-Abz钝化晶界缺陷提升结晶度，光诱导转变增强电荷转移，器件效率达27.2%，Voc提升至1.20V，FF达86.0%，实现了动态界面保护与优化电荷提取。

4、验证了卓越的长期运行稳定性

目标器件在65°C MPPT 2500小时后效率保持91.7%，含紫外光循环2000小时几乎无衰减，-40°C至85°C热循环500次后保留95.7%效率，证明了动态调节策略的普适稳定性。

技术优势：

1、首次提出了光驱动动态应力缓冲策略

研究利用偶氮苯衍生物（Ca-Abz）在紫外/可见光下的可逆构型转变（E⇄Z），动态调节晶界处的晶格应变，主动吸收并释放光循环产生的应力。

2、实现了效率与全环境稳定性双突破

本文器件效率达到27.2%，且在严苛的含紫外线光循环、长期MPPT运行以及极高/低温热循环测试中均表现出极佳的稳定性，显著增强了商业可行性。

技术细节

光循环下的电池退化机制与加速老化研究

研究团队首先通过分析过去五年的全球气象数据，确定了光循环（而非持续光照）更符合真实的户外运行逻辑。实验发现，在含紫外线的太阳模拟器下，器件性能衰减远快于LED光照，表明紫外线是光循环损伤的核心诱因。通过缩短暗恢复时间，研究者建立了“快速光循环”协议（30秒光照/30秒黑暗），发现仅需20小时的循环即可模拟500小时的持续最大功率点追踪（MPPT）降解效果，大大缩短了老化测试时间。扫描电镜（SEM）和X射线散射（GIWAXS）分析证实，光循环会导致晶界处出现针孔、PbI₂积聚及非光敏δ相的形成。分子动力学模拟进一步揭示，光能场诱导的离子扩散和界面拉伸会在晶格内积累应力，最终触发化学键断裂和晶相降解，释放出金属铅（Pb⁰）和碘单质（I₂）。

图  含紫外光的光循环下的过氧化物酶装置和膜衰减

利用光切换异构体增强薄膜的动态韧性

为了对抗上述应力，研究者将一种能发生光诱导可逆异构化的添加剂（4-苯基偶氮苯甲酸，Ca-Abz）引入晶界。Ca-Abz在黑暗中呈平面E型（反式），能通过羧酸基团锚定在钙钛矿表面，起到缺陷钝化作用；而在紫外光照射下转变为扭曲的Z型（顺式）。这种分子水平的翻转能主动改变晶格参数（a、b轴扩张，c轴收缩），从而像“减震器”一样缓冲光循环诱导的晶格应变。拉曼光谱制图显示，Ca-Abz改性薄膜在老化后的平均应变仅为0.10%，远低于对照组的0.95%，证明其有效抑制了应力积累。此外，Ca-Abz的单锚定基团设计确保了分子异构化的有序性和灵活性，相比无锚定基团的偶氮苯或双锚定基团的衍生物具有更佳的应力释放效果。

图  使用可光转换的异构化合物的动态弹性策略

电荷动力学优化与光伏性能提升

Ca-Abz不仅增强了稳定性，还通过羧酸基团与Pb²⁺离子的配位结合有效钝化了晶界缺陷，提升了薄膜的结晶度和（100）晶向取向一致性。理论计算表明，光诱导的E→Z转变增强了分子与钙钛矿之间的电荷转移（从-7.51 |e|增至-7.82 |e|），从而促进了界面电荷积累与分离，抑制了非辐射复合。瞬态表面光电压（trSPV）测量显示改性器件具有更强的电子提取能力，瞬态光电流/光电压（TPC/TPV）也证实了缺陷密度的显著降低。最终，目标器件实现了27.2%的最高效率（认证效率26.9%），其开路电压（Voc）从1.17V提升至1.20V，填充因子（FF）从83.5%提升至86.0%。这种性能的全面提升归功于Ca-Abz在光循环过程中提供的动态界面保护和优化的电荷提取通道。

图  PSC的PV性能

卓越的长期运行稳定性验证

稳定性测试严格遵循ISOS协议进行。在65°C连续一太阳光下的MPPT测试中，目标器件在2500小时后仍保持91.7%的效率，而对照组仅剩余62.3%。在更具挑战性的12小时含紫外线光循环测试中，目标器件稳定运行了2000小时，几乎无性能衰减，而对照组在1300小时左右即出现约20%的严重损耗。此外，Ca-Abz在不含甲胺（MA-free）的钙钛矿体系中也展现出普适的稳定效果。研究还进行了快速热循环测试（-40°C至85°C），目标器件在500次循环后保留了95.7%的初始效率，远超对照组的65.5%。这些结果有力地证明了通过光切换异构体进行动态调节不仅能转化高能紫外线避免损伤，还能通过机械缓冲作用确保PSCs在复杂极端环境下的可靠运行。

图  钙钛矿太阳能电池的老化测试

展望

本研究通过在晶界引入光感应异构体Ca-Abz，成功解决了钙钛矿电池在复杂户外光循环下的应力失效问题。利用分子的可逆构型转变来动态缓冲晶格应变，不仅实现了27.2%的高效率，更在长达2000小时的光循环和极端热循环中保持了卓越的稳定性。这一策略将高能紫外线从“破坏源”转化为“保护动力”，为提升薄膜太阳能电池的机械韧性和运行可靠性开辟了全新方向，是推动钙钛矿技术走向商业化应用的关键进展。

参考文献：

Zhang, Z., Zhu, R., Li, G. et al. Photoswitchable isomers to improve grain boundary resilience and perovskite solar cells stability under light cycling. Nat Energy (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41560-026-01993-z