25.21%效率+ISOS-V-1 T85=1620h：碘螯合工程同步提升钙钛矿电池性能与反偏耐久性

1 背景与问题

钙钛矿太阳能电池从单体向组件级联过渡的过程中，面临着严峻的可靠性挑战。在实际应用场景中，由于云层、植物或遮挡物造成的局部阴影，会导致组件中的子电池处于反向偏压状态。这种极端工况会加速钙钛矿的降解，成为制约其商业化的核心瓶颈之一。

在传统的 n-i-p结构钙钛矿电池中，反向偏压会触发一系列灾难性的连锁反应：

1.1 碘离子迁移与积累：碘离子（I⁻）在电场驱动下向电子传输层（ETL）/钙钛矿界面迁移并积累；

1.2 电化学氧化：积累的碘离子发生氧化反应，生成有害的分子碘（I₂）；

1.3 紫外光解级联：紫外光激活I₂ 产生高活性的碘自由基，攻击有机阳离子，导致钙钛矿晶格崩解。

为了验证新材料或新结构在极端条件下的生存能力，国际有机光伏稳定性峰会（ISOS）制定了严格的测试协议，特别是针对反向偏压的ISOS-V 协议。这要求测试设备不仅能够提供精准的电压偏置，还需具备长期、连续且低扰动的性能监测能力。

2 核心方案

针对上述挑战，香港理工大学的研究团队在Nature Communications 上发表了一项重要工作，提出了一种精细的碘螯合工程策略。研究团队在关键的SnO₂/钙钛矿埋底界面引入了改性材料——磺化β-环糊精钠盐（S-β-CD）。

该策略通过“双管齐下”的机制阻断了降解路径：

2.1 物理捕获：利用S-β-CD 独特的环状疏水空腔，像“笼子”一样捕获迁移产生的I₂ 分子，防止其扩散攻击钙钛矿晶格；

2.2 紫外防护：S-β-CD的吸收谱与 I₂的紫外吸收带重叠，作为竞争性吸收体拦截高能光子，抑制自由基的产生。

为了验证这一策略的有效性，论文采用了多种严苛的测试技术，特别是针对反向偏压稳定性的深度表征。研究团队不仅进行了标准的J-V 扫描，还实施了长时间的最大功率点（MPP）追踪，以及周期性的“暗态反向偏压-光照浸泡”循环测试。

图1. 碘螯合的宿主-客体络合工程。(a) S-β-CD的分子结构，以及碘螯合和紫外防护机制的示意图。(b) S-β-CD粉末、I₂粉末及ITO/SnO₂基底的紫外-可见吸收光谱。(c)从分离对照组和基于S-β-CD的PSCs（-1.8 V反向偏压48小时）中获得的碘自由基的电子顺磁共振（EPR）谱，随后在100 W汞灯下老化6分钟。(d)三种不同负载方法下的碘螯合能力。(e)使用SH负载法对I₂@S-β-CD复合物中宿主-客体相互作用的傅里叶变换红外（FTIR）光谱。(f)使用SH负载法对S-β-CD粉末、I₂粉末及I₂@S-β-CD复合物进行热重分析（TGA）。(g)对I₂@S-β-CD复合物中的吸附能进行密度泛函理论（DFT）计算，并与该领域报道的其他碘螯合物进行比较。

3 实验结果与分析

论文通过详实的数据对比，展示了S-β-CD 策略在提升器件抗反向偏压能力方面的卓越表现。

3.1 器件光电性能提升

引入 S-β-CD夹层后，器件的光电转换效率（PCE）得到了显著提升。这主要得益于界面缺陷的钝化和载流子复合的抑制。

3.2 极端的反向偏压稳定性（ISOS-L-3协议）

在 65°C、50% RH 的环境下，研究团队对器件施加了-1.8 V 的反向偏压预处理48 小时，随后进行MPP 追踪。

对照组：在无预偏置条件下T80 寿命为 634小时；经反向偏置预处理后，寿命急剧下降至166 小时。

S-β-CD 组：在无预偏置条件下T80 寿命为 1062小时；经反向偏置预处理后，寿命仍保持在1012 小时。

这一结果表明，S-β-CD策略几乎完全消除了反向偏压对器件寿命的负面影响。

3.3 周期性循环应力测试（ISOS-V-1协议）

这是模拟实际阴影遮挡最关键的测试。测试循环为：-1.8 V 反向偏压 12小时（暗态）+ 光照浸泡 12小时。

经过 67 个循环（总计1600 小时）的折磨后，S-β-CD修饰的器件仍保持了85% 的初始效率（T85 ≈ 1620 h）。

相比之下，对照组器件在相同条件下迅速失效（T80 ≈ 256 h）。

图2.设备性能及长期工作和反向偏置稳定性。（a）对照组与S-β-CD器件的最高J-V曲线，显示效率从24.1%提升至25.21%。（b）对照组与S-β-CD器件的EQE光谱。（c）在AM1.5光照条件下（ISOS-L-3，65±5℃，50±5% RH），对照组与S-β-CD器件在最大功率点（MPP）处的长期工作稳定性测试。（d）在AM1.5光照条件下（ISOS-L-3，65±5℃，50±5% RH），对照组与S-β-CD器件在预处理（-1.8 V反向偏置持续48小时）后，在最大功率点（MPP）处的长期工作稳定性测试。（e）对照组与S-β-CD器件的循环稳定性测试（ISOS-V-1，25±5℃，50±5% RH），包括在黑暗中以-1.8 V负载12小时，随后在光照下浸泡12小时，并进行J-V特性表征（平均±标准差）。

3.4 离子迁移与缺陷抑制

通过阻抗谱（EIS）和热导纳谱（TAS）分析，论文进一步揭示了微观机制：

3.4.1 离子迁移率降低：S-β-CD组的离子迁移率从对照组的4.91×10⁻⁸ cm² V⁻¹ s⁻¹降低至 4.05×10⁻⁸ cm² V⁻¹ s⁻¹；

3.4.2 界面传输电阻稳定：在老化过程中，对照组的界面传输电阻（RMF）从180.1 Ω 飙升至1737 Ω，而 S-β-CD组几乎保持不变（173 Ω），证明了界面在应力下的完整性。

4 设备介绍

ArtiPV

光伏器件稳定性与多通道老化测试

ArtiPV是一款多通道太阳能电池稳定性测试平台，主要用于钙钛矿、有机和叠层光伏器件的长期寿命与性能衰减研究。系统可并行记录多个器件的电学变化，并在受控气氛下开展稳定性对比。适用于材料配方筛选、封装可靠性分析、器件老化分析和光伏工艺优化。钙钛矿光伏由效率竞赛转向运行稳定性、ISOS测试、MPPT追踪和加速老化，实验结果能否跨批次比较成为关键。ArtiPV通过并行测量、低扰动Voc/Jsc测试和氮气夹具，适合研究离子迁移、封装可靠性、光热老化及不同材料体系的寿命差异。

4.1 技术特点

(1) 提供1-256通道并行测试能力，可同时开展多样品稳定性、寿命和工艺对比实验；

(2) 电压测量分辨率达到1 mV、电流测量分辨率达到1 uA/100 nA级或更优，适配实验室光伏器件长期监测；

(3) 支持LimExt技术，可更准确地测量Voc和Jsc，降低常规扫描对稳定性评估的干扰；

(4) 配备独立氮气氛围测试夹具，支持对空气敏感器件在受控环境下开展测试；

(5) MPPT数据采样间隔达到1 s级；配置太阳模拟光时，对标IEC 60904-9 Class A+A+A+；

(6) 并行通道和长期数据记录适合对材料配方、封装方式与光热应力条件进行统计比较，并减少逐片测试造成的时间偏差。

4.2 设备优势

(1) 相较单通道源表或逐片测试方案，1-256通道并行架构可显著扩大稳定性实验样本量并缩短配方筛选周期；

(2) LimExt、长期监测与独立氮气夹具组合，更贴合钙钛矿和有机光伏对低扰动、受控气氛测试的需求；

(3) 平台可围绕具体器件和研究流程定制，为尚未完全标准化的新型光伏稳定性研究保留方法迭代空间；

(4) 针对新型光伏稳定性结果难比较的问题，并行与低扰动测量可提高样本量和条件一致性，使老化结论更有说服力。

原文参考：Photo-protective iodine chelate enables stable perovskite solar cells under reverse bias