25.21%效率+ISOS-V-1 T85=1620h：碘螯合工程同步提升鈣鈦礦電池性能與反偏耐久性

1 背景與問題

鈣鈦礦太陽能電池從單體向組件級聯過渡的過程中，面臨著嚴峻的可靠性挑戰。在實際應用場景中，由於雲層、植物或遮擋物造成的局部陰影，會導緻組件中的子電池處於反向偏壓狀態。這種極端工況會加速鈣鈦礦的降解，成為製約其商業化的核心瓶頸之一。

在傳統的 n-i-p結構鈣鈦礦電池中，反向偏壓會觸發一系列災難性的連鎖反應：

1.1 碘離子遷移與積累：碘離子（I⁻）在電場驅動下向電子傳輸層（ETL）/鈣鈦礦界面遷移並積累；

1.2 電化學氧化：積累的碘離子發生氧化反應，生成有害的分子碘（I₂）；

1.3 紫外光解級聯：紫外光激活I₂ 產生高活性的碘自由基，攻擊有機陽離子，導緻鈣鈦礦晶格崩解。

為了驗證新材料或新結構在極端條件下的生存能力，國際有機光伏穩定性峰會（ISOS）製定了嚴格的測試協議，特別是針對反向偏壓的ISOS-V 協議。這要求測試設備不僅能夠提供精準的電壓偏置，還需具備長期、連續且低擾動的性能監測能力。

2 核心方案

針對上述挑戰，香港理工大學的研究團隊在Nature Communications 上發表了一項重要工作，提出了一種精細的碘螯合工程策略。研究團隊在關鍵的SnO₂/鈣鈦礦埋底界面引入了改性材料——磺化β-環糊精鈉鹽（S-β-CD）。

該策略通過“雙管齊下”的機製阻斷了降解路徑：

2.1 物理捕獲：利用S-β-CD 獨特的環狀疏水空腔，像“籠子”一樣捕獲遷移產生的I₂ 分子，防止其擴散攻擊鈣鈦礦晶格；

2.2 紫外防護：S-β-CD的吸收譜與 I₂的紫外吸收帶重疊，作為競爭性吸收體攔截高能光子，抑製自由基的產生。

為了驗證這一策略的有效性，論文采用了多種嚴苛的測試技術，特別是針對反向偏壓穩定性的深度表征。研究團隊不僅進行了標準的J-V 掃描，還實施了長時間的最大功率點（MPP）追蹤，以及周期性的“暗態反向偏壓-光照浸泡”循環測試。

圖1. 碘螯合的宿主-客體絡合工程。(a) S-β-CD的分子結構，以及碘螯合和紫外防護機製的示意圖。(b) S-β-CD粉末、I₂粉末及ITO/SnO₂基底的紫外-可見吸收光譜。(c)從分離對照組和基於S-β-CD的PSCs（-1.8 V反向偏壓48小時）中獲得的碘自由基的電子順磁共振（EPR）譜，隨後在100 W汞燈下老化6分鍾。(d)三種不同負載方法下的碘螯合能力。(e)使用SH負載法對I₂@S-β-CD複合物中宿主-客體相互作用的傅裏葉變換紅外（FTIR）光譜。(f)使用SH負載法對S-β-CD粉末、I₂粉末及I₂@S-β-CD複合物進行熱重分析（TGA）。(g)對I₂@S-β-CD複合物中的吸附能進行密度泛函理論（DFT）計算，並與該領域報道的其他碘螯合物進行比較。

3 實驗結果與分析

論文通過詳實的數據對比，展示了S-β-CD 策略在提升器件抗反向偏壓能力方面的卓越表現。

3.1 器件光電性能提升

引入 S-β-CD夾層後，器件的光電轉換效率（PCE）得到了顯著提升。這主要得益於界面缺陷的鈍化和載流子複合的抑製。

3.2 極端的反向偏壓穩定性（ISOS-L-3協議）

在 65°C、50% RH 的環境下，研究團隊對器件施加了-1.8 V 的反向偏壓預處理48 小時，隨後進行MPP 追蹤。

對照組：在無預偏置條件下T80 壽命為 634小時；經反向偏置預處理後，壽命急劇下降至166 小時。

S-β-CD 組：在無預偏置條件下T80 壽命為 1062小時；經反向偏置預處理後，壽命仍保持在1012 小時。

這一結果表明，S-β-CD策略幾乎完全消除了反向偏壓對器件壽命的負面影響。

3.3 周期性循環應力測試（ISOS-V-1協議）

這是模擬實際陰影遮擋最關鍵的測試。測試循環為：-1.8 V 反向偏壓 12小時（暗態）+ 光照浸泡 12小時。

經過 67 個循環（總計1600 小時）的折磨後，S-β-CD修飾的器件仍保持了85% 的初始效率（T85 ≈ 1620 h）。

相比之下，對照組器件在相同條件下迅速失效（T80 ≈ 256 h）。

圖2.設備性能及長期工作和反向偏置穩定性。（a）對照組與S-β-CD器件的最高J-V曲線，顯示效率從24.1%提升至25.21%。（b）對照組與S-β-CD器件的EQE光譜。（c）在AM1.5光照條件下（ISOS-L-3，65±5℃，50±5% RH），對照組與S-β-CD器件在最大功率點（MPP）處的長期工作穩定性測試。（d）在AM1.5光照條件下（ISOS-L-3，65±5℃，50±5% RH），對照組與S-β-CD器件在預處理（-1.8 V反向偏置持續48小時）後，在最大功率點（MPP）處的長期工作穩定性測試。（e）對照組與S-β-CD器件的循環穩定性測試（ISOS-V-1，25±5℃，50±5% RH），包括在黑暗中以-1.8 V負載12小時，隨後在光照下浸泡12小時，並進行J-V特性表征（平均±標準差）。

3.4 離子遷移與缺陷抑製

通過阻抗譜（EIS）和熱導納譜（TAS）分析，論文進一步揭示了微觀機製：

3.4.1 離子遷移率降低：S-β-CD組的離子遷移率從對照組的4.91×10⁻⁸ cm² V⁻¹ s⁻¹降低至 4.05×10⁻⁸ cm² V⁻¹ s⁻¹；

3.4.2 界面傳輸電阻穩定：在老化過程中，對照組的界面傳輸電阻（RMF）從180.1 Ω 飆升至1737 Ω，而 S-β-CD組幾乎保持不變（173 Ω），證明了界面在應力下的完整性。

4 設備介紹

ArtiPV

光伏器件穩定性與多通道老化測試

ArtiPV是一款多通道太陽能電池穩定性測試平台，主要用於鈣鈦礦、有機和疊層光伏器件的長期壽命與性能衰減研究。系統可並行記錄多個器件的電學變化，並在受控氣氛下開展穩定性對比。適用於材料配方篩選、封裝可靠性分析、器件老化分析和光伏工藝優化。鈣鈦礦光伏由效率競賽轉向運行穩定性、ISOS測試、MPPT追蹤和加速老化，實驗結果能否跨批次比較成為關鍵。ArtiPV通過並行測量、低擾動Voc/Jsc測試和氮氣夾具，適合研究離子遷移、封裝可靠性、光熱老化及不同材料體系的壽命差異。

4.1 技術特點

(1) 提供1-256通道並行測試能力，可同時開展多樣品穩定性、壽命和工藝對比實驗；

(2) 電壓測量分辨率達到1 mV、電流測量分辨率達到1 uA/100 nA級或更優，適配實驗室光伏器件長期監測；

(3) 支持LimExt技術，可更準確地測量Voc和Jsc，降低常規掃描對穩定性評估的幹擾；

(4) 配備獨立氮氣氛圍測試夾具，支持對空氣敏感器件在受控環境下開展測試；

(5) MPPT數據采樣間隔達到1 s級；配置太陽模擬光時，對標IEC 60904-9 Class A+A+A+；

(6) 並行通道和長期數據記錄適合對材料配方、封裝方式與光熱應力條件進行統計比較，並減少逐片測試造成的時間偏差。

4.2 設備優勢

(1) 相較單通道源表或逐片測試方案，1-256通道並行架構可顯著擴大穩定性實驗樣本量並縮短配方篩選周期；

(2) LimExt、長期監測與獨立氮氣夾具組合，更貼合鈣鈦礦和有機光伏對低擾動、受控氣氛測試的需求；

(3) 平台可圍繞具體器件和研究流程定製，為尚未完全標準化的新型光伏穩定性研究保留方法迭代空間；

(4) 針對新型光伏穩定性結果難比較的問題，並行與低擾動測量可提高樣本量和條件一緻性，使老化結論更有說服力。

原文參考：Photo-protective iodine chelate enables stable perovskite solar cells under reverse bias