拯救科研危機，59名科學家聯名呼籲鈣鈦礦測試標準！

2020-08-10 讀懂科學

導讀：鈣鈦礦太陽能電池最高效率已達到25.2%，接近單晶矽的最高效率。由於其低廉的製備成本，被業界認為有希望打破矽太陽能電池的壟斷地位。然而鈣鈦礦電池的穩定性卻差於矽電池，目前文獻普遍報導的鈣鈦礦電池的操作壽命僅有1-2年，遠低於商用要求的20-25年壽命。同時，雖然研究鈣鈦礦太陽能電池穩定性的文章越來越多，但是由於不同實驗室採用不同的測試條件、對照組的非唯一性，以及統計方法的差異，使得現有的穩定性數據難以進行直接比較。下面將捋一捋近年來鈣鈦礦穩定性測試標準建立的進展。

舊方法的局限和新方法的需要


2018年1月，瑞士洛桑聯邦大學Wolfgang Tress和Konrad Domanski提出，現有的IEC61215標準更多用於評估光伏組件，特別是評估外界因素對電池的影響，現階段IEC61215在新型太陽能材料的研究上不具有適用性。作者從統計學的角度比較了光源、氣體氛圍、溫度、電偏壓以及暗態恢復等因素對壽命評估的影響。

表：現有IEC 61215 加速老化協議



2018年6月，牛津大學Henry Snaith和美國國家可再生能源實驗室Peter Hacke撰文指出：

Ÿ 現有IEC61215標準，更新慢，適用性窄，不能直接用於新型光伏材料的研究；

Ÿ 鈣鈦礦電池穩定性測試需要額外考慮的因素，如光照、溫度、溼度、氧氣分壓等；

Ÿ 鈣鈦礦電池在不同老化環境下加速因子的測定，從而根據不同環境下的穩定性數據外推預測真實環境下的電池壽命。


2018年6月，瑞士弗裡堡大學Michael Saliba和德國柏林亥姆霍茲能源中心Antonio Abate提出幾個穩定性測試的建議：

Ÿ 光電轉換效率（PCE）應通過最大功率點（MPP）獲得，而不是電流密度-電壓曲線（J-V）中獲得，因為鈣鈦礦器件遲滯作用會使J-V得到的PCE虛高；

Ÿ 提出新T80計算方法：鈣鈦礦器件放置在黑暗條件下效率會發生可逆恢復，在計算T80時需要考慮進去。


2018年8月，美國國家可再生能源實驗室Joseph Berry和Joseph Luther提出，太陽能電池的穩定性評估應分為三個層次，材料、器件和組件。不同層次對於不同的測試標準，考量不一樣的影響因素，因此不能將高層次的標準生搬硬套在較低層次。

Ÿ 材料老化：不需要標準化條件，目的是研究鈣鈦礦材料的本徵穩定性。

Ÿ 器件老化：需要標準化條件，目的是研究鈣鈦礦電池器件的操作穩定性。

Ÿ 組件老化：需要按照IEC標準，目的是研究鈣鈦礦組件的環境穩定性和封裝材料穩定性。


2018年12月，加利福尼亞大學洛杉磯分校楊陽聯合中科院半導體研究所遊經碧發文呼籲穩定性測試的標準化和加速老化條件的建立。他們通過比較矽和鈣鈦礦的成本，以及平準化度電成本LCOE (levelized cost of energy) ，粗略預估鈣鈦礦電池需要擁有至少15年工作壽命才可以把矽pk下去。

新方法終於來了


20年1月，巴塞隆納材料科學研究所Monica Lira-Cantu等59名學者，共同聲明鈣鈦礦太陽能電池穩定性評估方法。他們在國際有機光伏穩定性峰會ISOS的基礎上，提出幾條專門針對鈣鈦礦穩定性測試的修訂。

Ÿ 光暗循環（ISOS-LC）：由於在黑暗條件下鈣鈦礦電池效率會發生可逆恢復，同時為了更好模擬真實生活中的晝夜環境，他們在已有光浸泡（ISOS-L）基礎上，新增暗態條件，即亮暗交替進行穩定性測試。

Ÿ 暗態下的電場偏壓（ISOS-V）：由於電偏壓會誘導離子遷移、電荷聚集等現象，使鈣鈦礦發生降解，而且實際操作中需要長時間給電池施加一個功率最大點附近的電壓值，因此需要跟蹤不同偏壓下鈣鈦礦的穩定性。

Ÿ 本徵穩定性（ISOS-I）：由於鈣鈦礦對外界環境特別敏感，氣體氛圍對穩定性影響很大，他們建議在研究鈣鈦礦本徵穩定性時將電池放置於惰性氣體氛圍中（如氮氣、氬氣）。例如惰性氛圍下的光暗循環（ISOS-LC-I），電偏壓（ISOS-V-I）。


圖：更新的T80統計方法

另外，文章也對Ts80的統計進行規範化，以器件效率剛發生線性衰減的點作為壽命的起點，計算從此點開始PCE下降20%所需要的時間。

他們也呼籲不同老化條件下鈣鈦礦電池加速因子（acceleration factor, AF）的建立，以此來推出不同條件下測試數據的預估壽命值。同時，他們希望世界各課題組可以將穩定性數據共享，建立大型資料庫，採用機器學習方法去建立更好的穩定性模型。

結語

不同於IEC 61215，ISOS不是為了建立標準質檢方法，而是為了讓不同實驗室的測試結果具有可比性，提高文章上發表數據的質量和關聯性。如果研究者都用不具有代表性非標準化的老化測試標準，去得到一個沒有衰減的電池器件，這將是一個挺嚴重的科研危機，非常不利於材料的發展和實現商業應用。

參考文獻

[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

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[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

源於納米人！

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