钙钛矿太阳能电池(PSC)是极具前景的下一代太阳能光伏(PV)电池，与硅相比，它具有高性能和低生产成本的特点。然而，PSC广泛应用的主要挑战之一是稳定性和耐用性。

新研究对比了PSC在户外未过滤阳光下的降解机制，并与广泛使用的发光二极管进行了比较。

这项名为“强键合空穴传输层减少钙钛矿太阳能电池的紫外线降解”的研究发表在《科学》杂志上，研究发现，作为这项工作的一部分合成的一种特殊混合聚合物材料并放置在钙钛矿电池内，有助于在户外测​​试中保持高效率并提高紫外线(UV)稳定性。

此项研究的跨国研究团队由北卡罗来纳大学教堂山分校领导，并得到科罗拉多矿业学院、国家可再生能源实验室(NREL)、加州大学圣地亚哥分校和托莱多大学的支持。

这项研究的一个关键部分是美国能源部(DOE)钙钛矿光伏商业化技术加速器(PACT)中心对结果进行独立验证。

确定钙钛矿在实验室和户外耐久性的原因

大多数PSC测试都是在实验室的受控环境中进行的，使用发光二极管作为光源。为了加快PSC的商业化，需要进行真实的户外性能测试，以了解阳光和温度下降的潜在机制。

户外条件与室内光照或最大功率点跟踪在多个方面有所不同。户外的温度、辐照度和紫外线强度不断变化。钙钛矿薄膜与水分和氧气发生反应或长时间暴露在光、热或施加电压下时会分解。

Silverman在NREL的户外测试设施安装PACT微型模块。图片来源：WernerSlocum，NREL

该团队研究了具有有机混合空穴传输材料(HTM)的pin结构PSC中紫外线诱导降解的机制，并开发了一种缩小室内和室外耐久性差距的方法。

在钙钛矿太阳能电池中，电场将照射在器件上的太阳光产生的电子-空穴对从吸收半导体材料中分离出来并驱赶出来，从而产生电能。传输层收集电子或空穴并将其从钙钛矿层移动到电极，从而实现电流的流动。

研究人员发现，钙钛矿层、聚合物HTM层和透明导电氧化物(TCO)层之间的弱化学键合是导致性能下降的主要原因。这会导致PSC在具有强紫外线成分的阳光下性能下降。

研究人员重点关注弱化学键，发现合成聚合物可以增强钙钛矿/HTM/TCO区域的化学键。

该混合HTM层在PACT中心进行了独立验证，冠模块在初始阶段的运行效率提高了几个百分点，达到16%左右。经过29周的户外测试，运行效率仍保持在16%以上。

利用PACT中心测试和评估加速新型钙钛矿材料的研发

2021年，美国能源部太阳能技术办公室(SETO)成立了PACT中心，启动测试和评估标准，以评估和验证快速发展的钙钛矿光伏技术的性能和可靠性。

NREL化学研究员、PACT副主任兼PACT可靠性团队负责人LauraSchelhas表示：“我们相信这是首次公开发表的户外性能演示，展示面积大于15cm2的钙钛矿微型模块，经过29周的户外测试后，测得的孔径效率超过16%。”

“真实世界的演示是迈向商业化的关键一步，我们希望通过PACT提供这些功能，研究人员和公司可以利用这些数据来提高可靠性。”

提供像PACT中心开发的测试协议将有助于为新兴的钙钛矿光伏行业创造一个公平、公正的竞争环境。