《Advanced Energy Materials》于2025年7月10日在线发表了一篇题为“Locating non-radiative recombination losses and understanding their impact on the stability of perovskite solar cells during photo-thermal accelerated ageing”的研究论文。该研究由德国埃尔朗根-纽伦堡大学（Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg）电子材料与能源技术研究所（i-MEET）的Zijian Peng、Larry Lüer和Christoph J. Brabec等人主导，合作单位包括亥姆霍兹埃尔朗根-纽伦堡可再生能源研究所（HI ERN）、美国普林斯顿大学电气与计算机工程系以及南丹麦大学先进光伏与薄膜能源器件中心。研究聚焦钙钛矿太阳能电池（perovskite solar cells, PSCs）在光热加速老化条件下的非辐射复合损失定位及其对器件稳定性的影响，旨在揭示开路电压（open-circuit voltage, Voc）和准费米能级分裂（quasi-Fermi level splitting, QFLS）看似微小的下降背后所隐藏的显著填充因子（fill factor, FF）和短路电流（short-circuit current, Jsc）损失机制。

钙钛矿太阳能电池虽然已实现26.95%的单结效率，但稳定性问题仍是其实现太瓦级商业化应用的主要障碍。钙钛矿材料的离子特性导致其在光照、热、偏压等多重应力下发生离子迁移、碘化物氧化及界面氧化还原反应，进而在体相和界面区域形成深能级缺陷，显著增加非辐射复合。然而，传统标准电流密度-电压（J-V）测试主要报告效率衰减，难以直接区分体相缺陷与界面缺陷对性能损失的具体贡献。该研究的核心目标是通过漂移-扩散模拟（drift-diffusion simulation）与无损光致发光成像（photoluminescence imaging, PL imaging）相结合，建立QFLS/Voc退化与器件光热稳定性之间的定量联系，并定位不同老化阶段非辐射复合损失的主要来源。

研究首先利用开源软件Simsalabim（v4.56）进行漂移-扩散模拟，系统考察了钙钛矿体相缺陷密度（Nt,bulk）、空穴传输层/钙钛矿界面缺陷密度（Nt,interface_p）以及陷阱能级深度对器件性能参数的影响。器件结构为ITO/电子传输层/钙钛矿/空穴传输层/金属。模拟结果表明，体相缺陷密度增加时，Voc和FF下降相对缓慢，但在临界缺陷密度以上Jsc出现急剧下降。这是因为在高缺陷密度下，载流子复合寿命显著短于提取寿命，导致电极无法有效收集光生载流子。与此相对，空穴传输层/钙钛矿界面缺陷的增加对Voc和FF的影响更为显著，而Jsc的下降不明显。陷阱能级加深则导致Voc和FF下降约10%。这些结果表明，即使Voc仅出现轻微下降，也可能对应着严重的Jsc或FF损失，而后者往往是器件性能退化的主导因素。模拟结果为后续实验中通过PL和QFLS测量灵敏地探测非辐射复合变化提供了理论依据。

在实验部分，研究团队搭建了氮气氛围下的PL成像系统，样品置于85°C热台上，白光LED提供一倍太阳光照进行老化，450 nm LED作为激发光源，相机配备长通滤光片记录PL图像。通过公式QFLS = QFLSrad + kT ln(PLQY)，利用参比样品的PL量子产率计算样品的绝对QFLS值。所有样品在测量前至少光浸润30秒以消除移动离子和光浸润效应对QFLS的影响。研究首先考察了不同低维钝化材料在光热老化下的稳定性，包括苯乙胺碘（PEAI）、正辛胺碘（OAI）、正丁胺碘（BAI）和胍碘（GUAI）。未钝化的对照样品在85°C和一倍太阳下老化前20小时内QFLS从1.08 eV持续下降至1.01 eV，随后趋于稳定。部分二维钝化样品在初始一小时内QFLS出现暂时上升，这归因于配体向钙钛矿体相扩散并降低缺陷密度；但经过20小时老化后，所有钝化样品的QFLS均下降至对照样品水平，表明钝化效果在长时间老化后失效。结合前期工作，研究者认为二维配体在光热条件下发生去质子化反应，并与铅碘八面体或有机阳离子反应，导致二维结构解体，形成的金属铅缺陷成为体相非辐射复合中心，造成Voc轻微下降和Jsc显著降低。

随后，研究比较了不同空穴传输层（hole transport layer, HTL）对钙钛矿层光热稳定性的影响。在玻璃/钙钛矿/HTL结构中，PTAA及其掺杂体系表现出较大的QFLS损失，这与碘化物从钙钛矿向HTL扩散并氧化HTL有关。掺杂剂如BCF和LiTFSI可能扩散进入钙钛矿层并作为非辐射复合中心。具有更深最高占据分子轨道（HOMO）能级的聚合物如PDCBT、PM7和D18-Cl表现出明显更小的QFLS损失，其中PDCBT在整个老化过程中保持QFLS稳定。银/碘腐蚀测试和横向电导率跟踪实验证实PDCBT能有效抑制碘扩散并维持稳定的电学接触。对于HTL在钙钛矿下方的结构，NiOx/钙钛矿界面尽管初始QFLS较低，但在老化过程中趋势稳定；基于自组装单分子层（self-assembled monolayer, SAM）的HTL则表现出持续的QFLS下降，归因于SAM材料的化学不稳定性和界面粘附性差。MeO-2PACz样品的QFLS损失大于2PACz和Me-4PACz，可能与其较差的空穴提取能力导致界面空穴积累并加速碘化物氧化有关。

将研究扩展到完整器件堆栈，研究者发现玻璃/钙钛矿/电子传输层/空穴传输层/电极结构的QFLS损失与单纯钙钛矿薄膜相当，说明在采用稳定传输层的前提下，体相复合仍然是完整器件非辐射损失的主要来源。在85°C一倍太阳老化条件下，器件Voc在前5小时内迅速下降至初始值的91%，随后回升至94%，这一现象可能与电极去极化效应有关。在老化初期（<25小时），大部分非辐射损失由钙钛矿自身退化驱动；随着老化进行，器件QFLS与Voc之间的差距扩大，表明能级失配和离子诱导电场屏蔽等额外损失逐渐增加。基于上述认识，研究者优化了钙钛矿活性层组分，将CsFAMA（Cs0.05FA0.85MA0.1PbBr0.25I2.75）替换为不含甲胺（MA）的CsFA（Cs0.15FA0.85PbBr0.25I2.75），并在前驱体中加入MACl以改善结晶质量。X射线衍射分析证实优化后的钙钛矿具有更强的（100）衍射峰和更弱的金属铅衍射峰，表明晶体质量提高且体相缺陷减少。最终，在85°C和两倍太阳光加速老化条件下，优化后的器件实现了超过1000小时的T80寿命，比不含MA的CsFA器件（约30小时）提高了约30倍，比CsFAMA器件（约18小时）提高了约50倍。

该研究的核心结论是，非辐射复合损失的定位对于理解钙钛矿太阳能电池的光热稳定性至关重要。不稳定的低维钝化层和空穴传输层/钙钛矿界面分别在老化早期产生体相缺陷和界面缺陷，导致显著的Jsc和FF损失；而即使界面稳定，钙钛矿体相自身的缺陷形成仍是初始Voc和效率下降的主要驱动力。通过优化钙钛矿组分和晶体质量，可以显著抑制体相缺陷生成，从而实现稳定性的大幅提升。该研究还证明，对于优化钙钛矿材料稳定性而言，并不需要完整的器件结构，半电池或无电极结构即可通过非接触式PL成像进行有效分析，这为高通量筛选材料配方提供了快速且灵敏的方法。研究的重要价值在于建立了QFLS/Voc退化与器件性能损失之间的定量联系，展示了PL成像技术作为稳定性诊断工具的潜力，并为通过材料组分和界面工程协同提升钙钛矿太阳能电池长期稳定性提供了清晰的研究范式。然而，要实现超稳定钙钛矿太阳能电池，仍需要开发对碘化物/碘扩散具有稳定电学性能的传输层材料，多维度策略的结合将是克服钙钛矿太阳能电池多方面稳定性挑战的关键。