作者： 彭欣欣，Abdalla Danyal，刘飞，Daoud Walid A.，袁永波，蔺云*

钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）因其优异的光电特性、可溶液加工性及低成本优势，在过去十年中迅速成为光伏领域的研究热点。然而，稳定性不佳是钙钛矿太阳能电池实现商业化的主要瓶颈。在导致电池性能衰减的众多因素中，氧气和光照相结合可导致电池严重老化，是设计高稳定性钙钛矿电池需要考虑的重点因素之一。当前产业界对直接在大气环境中以低成本方式制造钙钛矿太阳能电池的需求日益增长，这也驱使研究人员积极探索如何抑制由氧气和光照引发的电池老化。本文对与氧气和光照诱导材料分解及电池老化有关的研究成果进行了总结。内容包括：

一、光氧诱导钙钛矿老化的机制

钙钛矿材料在光照和氧气共存条件下的分解主要源于超氧离子（O₂⁻）的生成及其后续副反应。其中，光照激发钙钛矿导带中的电子转移至吸附的氧气分子，形成高活性O₂⁻。O₂⁻通过脱质子反应攻击有机阳离子（如甲胺离子MA⁺），生成挥发性产物（如CH₃NH₂），同时释放I₂和H₂O，导致钙钛矿晶格分解。这一过程在碘空位（V₁）和水分子等因素协助下显著加速。V₁作为O₂吸附和电子捕获的活性位点，是O₂⁻生成的关键媒介。此外，水分的存在会通过促进HO₂和H₂O₂等活性氧物种（ROS）的生成，进一步加剧材料降解。（注：分解产物I₂是另一种导致钙钛矿光照自加速分解的诱因，详情可参考：点这里）

二、影响光氧老化的因素

1. 材料组成与结构  

卤素取代：Br⁻取代I⁻可增强晶格稳定性，减少V₁密度。MAPb(I₁₋Brₓ)₃中，当Br含量超过50%时，OP-decay速率显著降低，但高Br含量会牺牲光吸收能力并引发相分离。  

A位阳离子工程：引入Cs⁺离子可压缩晶格，抑制V₁形成。5% Cs⁺掺杂使MAPbI₃的分解速率降低7倍。  

2. 微观形貌与缺陷  

晶粒尺寸：小晶粒因更高的表面/体积比和晶界氧扩散通道，衰变更快。例如，晶粒尺寸从250 nm降至100 nm时，吸收衰减速率提高3倍。因此，所有改变材料结晶性的手段都将对钙钛矿氧气稳定性产生影响。   

3. 环境条件  

氧气浓度：即使低至1%的氧气浓度也可引发不可逆降解，而封装难以完全隔绝氧气渗透。  

湿度：水分通过提供H⁺促进O₂⁻向HO₂转化，同时破坏MA⁺与无机晶格的氢键，协同加速衰变。

电场效应：外加偏压或内置电场会促进离子迁移，导致V₁缺陷产生和聚集，加速局部衰变。

三、光氧稳定性提升策略

1. 抑制超氧化物生成  

电子传输层优化：提高电子提取效率可减少导带电子积累，抑制超氧离子产生。例如，N-DPBI掺杂的C₆₀薄膜使电子迁移率提升3数量级，器件在非封装条件下寿命延长。  

表面钝化：通过PEAI（苯乙基碘化铵）或TPPO（三苯基氧膦）等分子钝化V₁和晶界，可将O₂⁻产率降低5倍。  

组份工程：Cs/FA混合阳离子、Cd²⁺/Cl⁻掺杂调节晶格应变，降低V₁缺陷密度。  

2. 阻断超氧离子破坏途径  

物理屏障：利用聚合甲基丙烯酸甲酯（PMMA）覆盖晶界，抑制氧气渗透。  

抗氧化添加剂：引入番茄红素（Lycopene）或丹参酮IIA（Tanshinone IIA）通过清除O₂⁻提升抗氧化能力。  

3. 减缓氧气渗透  

传输层设计：长链烷基修饰的空穴传输材料提高氧气扩散势垒。  

金属氧化物封装：例如使用CrOₓ/PCBM双层电子传输层，AlOₓ层阻隔氧气。  

四、展望

虽然上述策略已显著提升PSCs的光氧稳定性，但也存在以下问题：  

1. 机制复杂性：光氧老化涉及多步骤反应与多种ROS的协同作用，还需在真实光照、温湿度循环及机械应力下理解器件失效机理，并借助原位表征和理论计算进一步阐明微观过程。  

2. 效率-稳定性协同：如Br取代会牺牲光吸收，阻隔层可能增加界面电阻，需开发兼顾性能的方案。  

未来可从以下方面继续开展研究：开发兼具高稳定性和窄带隙的钙钛矿组分；设计动态自修复界面以应对持续氧化；探索超氧化物捕获与转化新机制。

以上信息来源于领域进展，详见文章：PENG Xin-xin, ABDALLA Danyal, LIU Fei, DAOUD Walid A., YUAN Yong-bo, LIN Yun. Oxygen- and photo-induced decay of perovskite solar cells: Mechanisms and strategies [J]. Journal of Central South University, 2024, 31(12): 4366−4396.DOI: https://doi.org/10.1007/s11771-024-5814-1.