黄劲松，Nature Energy！

米测MeLab

2026-03-26

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

甲脒-铯 (FACs) 钙钛矿因其优异的相位稳定性，被认为是钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 商业化的核心材料。

关键问题

目前，金属卤化物钙钛矿电池的应用主要存在以下问题：

1、高温降解机制演变不明

虽然 FACs 钙钛矿在常规温度下表现良好，但其在热光联合压力下的稳定性上限及其降解路径是否会随温度升高而发生根本性转变尚不明确，缺乏系统的定量分析和机制解耦。

2、组分不均匀性限制了长效稳定性

钙钛矿薄膜制备过程中固有的阳离子分布不均、局部应变和缺陷会成为相偏析的起始点，在长期运行中加速失效。如何从原子尺度增强薄膜相位均匀性以抑制离子迁移是实现超长寿命的技术瓶颈。

新思路

有鉴于此，北卡罗来纳大学教堂山分校黄劲松等人通过对数百个p-i-n器件进行阿伦尼乌斯分析，揭示了两种不同的降解机制：在 106 °C 以下，阳离子偏析占主导；而在 106 °C 以上，FAI 的损失主导了钙钛矿的分解。引入致密的氧化锡 (SnO₂) 层可有效抑制 FAI 损失，使 106 °C 以上的降解仍保持由阳离子偏析主导。此外，在前驱体中引入痕量 CsI₃ 增强了薄膜的阳离子均匀性，在 85 °C、1个太阳光照下将器件的 T₉₀ 寿命显著延长至约 2,700 小时。假设降解路径一致，外推至45 °C的T₉₀超过50年。这些发现阐明了温度相关的降解路径，并提供了提高运行稳定性的实用策略。

技术方案：

1、揭示了温度相关的降解路径

研究人员通过加速老化测试发现，钙钛矿器件在106°C前后呈现两种失效模式：低温区A位阳离子迁移主导，高温区FA⁺挥发导致分解。

2、通过SnO₂覆盖抑制了高温降解

ALD制备的致密SnO₂层能有效抑制FA⁺挥发，阻断组分外溢，将高温失效机制拉回阳离子偏析控制，显著提升了器件稳定性。

3、验证了器件稳定性的显著提升

痕量CsI₃添加剂诱导均匀成核，提升薄膜组分均匀性，器件T₉₀寿命达2700小时，外推45°C下运行寿命超50年。

技术优势：

1、首次定量揭示了降解路径的温度临界点

研究通过阿伦尼乌斯分析确定了106 °C是降解机制转变的节点，成功将阳离子偏析与挥发组分损失两种机制进行解耦。

2、实现了创纪录的高温稳定性

作者证明了致密SnO₂原子层沉积(ALD)层能有效阻隔组分挥发，同时引入痕量CsI₃提升了相位均匀性，实现了创纪录的高温稳定性和超长寿命外推。

技术细节

温度相关的降解路径

研究人员对约250个 p-i-n 结构器件进行了 77 °C 至 116 °C 的加速老化测试。通过阿伦尼乌斯图分析发现，器件性能的下降在 106 °C 前后呈现两种截然不同的模式。在低温区 (77–106 °C)，光电转换效率 (PCE) 衰减的活化能 (Ea) 约为 0.96 eV，结合 PL 位移分析，这表明 A 位阳离子（FA+ 和 Cs+）迁移引起的相偏析是导致性能下降的主要诱因。此时，碘化物的移动虽然存在，但不是主导失效的原因。进入高温区 (>106 °C) 后，Ea 剧增至 3.01 eV，这意味着降解机制发生了根本性转变。通过 1H-NMR 和 XRD 表征证实，此时FA⁺组分的挥发性损失加速，导致钙钛矿直接分解为PbI₂及其它产物。此外，研究还发现未覆盖电极的区域退化更为显著，进一步印证了组分挥发是高温失效的关键。这一发现界定了提升稳定性的新方向：在常规环境外，必须考虑更高温下的热力学稳定性边界。

图  具有BCP作为ETL的PSC的稳定性

图  BCP基PSC的降解机制

通过SnO₂覆盖抑制高温降解

针对高温下组分挥发导致的快速失效，研究团队将常用的BCP层替换为通过原子层沉积(ALD)制备的致密氧化锡(SnO₂)薄膜。实验结果显示，SnO₂覆盖的器件在80 °C至120 °C的整个测试范围内仅呈现单一的降解模式，其活化能始终保持在约1.0 eV左右。PL位移分析显示，相较于BCP器件在高温下出现的8 nm显著蓝移，SnO₂器件的位移仅为0.8 nm，有效地将挥发损失抑制了近一个数量级。这证明致密的SnO₂层充当了优异的物理屏障，阻断了FA⁰组分的外溢路径，使得反应 1（FA⁺与FA⁰的转化）在封闭环境中保持平衡，从而将高温下的失效机制重新拉回至受阳离子偏析控制的轨道。此外，该策略在最大功率点 (MPPT) 追踪测试中同样表现卓越，且SnO₂层的引入还能显著抑制分流 (Shunt) 的产生。这一发现强调了致密界面封装在维持钙钛矿晶格完整性方面的决定性作用。

图  ALD SnO₂基PSC的稳定性

图  ALD SnO₂基PSC的降解机理

增强相位均匀性提升器件稳定性

在解决了组分挥发问题后，阳离子偏析成为限制寿命的最后堡垒。研究发现，初始薄膜的不均匀性是偏析的温床。为此，研究者引入了0.05 mol%的痕量CsI₃添加剂。光谱分析显示，I^3-与Pb²⁺形成强配位，降低了光敏α相的形成能垒，诱导更均匀的成核过程，从而显著提升了薄膜在垂直和水平方向上的组分均匀性。PL映射证实，添加CsI₃的薄膜具有更窄的峰宽分布和更一致的跨表面能带结构。在85 °C、含有1.0% UV成分的高强度光照下，这种优化后的器件T₉₀寿命从1,800 小时大幅提升至2,700 小时。基于1 eV活化能的外推预测，该器件在45 °C下的运行寿命可达16万小时，相当于超过50年的商用寿命（假设日照 8 小时/天）。这表明，通过微量组分调控实现相位“深度均匀化”，是抑制长时离子迁移并达成工业级可靠性的关键技术路径。

图  CsI₃添加剂对相均匀性和器件性能的影响

展望

本研究系统阐明了FACs钙钛矿电池在高温运行下的失效路径：106 °C是机制转变的分水岭，低于此温度受阳离子偏析主导，高于此温度则由组分挥发引起的分解主导。通过引入致密ALD SnO₂界面层和痕量CsI₃添加剂，研究成功抑制了组分流失并提升了薄膜相位均匀性。这一系列创新策略使器件在85 °C下实现了长期稳定运行，并预测在45 °C下寿命超过50年，为钙钛矿电池的长期商业可靠性提供了重要理论支撑和实践范式。

参考文献：

Wang, M., Fei, C., Wang, H. et al. Decoupling cation segregation and volatile loss in formamidinium–caesium metal halide perovskite solar cells under high-temperature operating conditions. Nat Energy (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41560-026-02011-y