NatEnergy评述：移动离子诱导的电场屏蔽是太阳能电池老化过程中效率损失的根本原因！

  离子迁移通常被认为会对钙钛矿太阳能电池的运行稳定性产生不利影响，但其潜在机制尚不完全清楚。通过将离子迁移与其他效应解耦，现在的研究表明，移动离子诱导的电场屏蔽是太阳能电池老化过程中效率损失的主要原因。

  基于金属卤化物钙钛矿的太阳能电池已显示出较高的功率转换效率，但其运行稳定性差是商业化的核心问题。这些钙钛矿是混合的离子-电子导体：它们允许传输电子电荷，类似于传统半导体，但也允许离子传输，这可能不利于设备操作。尽管最近在了解离子迁移怎么样影响钙钛矿太阳能电池的电响应方面取得了进展，但它在器件退化过程中的作用在很大程度上仍然是定性的。这是由于影响太阳能电池使用寿命的各种压力源，其中大多数将移动离子视为与其他因素一起发挥作用的参与者。此外，可以系统地研究离子传输对降解影响的既定方案和技术的选择范围相对较窄。

  Jarla Thiesbrummel、Sahil Shah等人在《Nature Energy》杂志上撰文，开发了一种方法，通过改变用于探测器件性能的电流-电压测量的扫描速率，来隔离离子迁移对钙钛矿太阳能电池降解的影响。他们发现钙钛矿层中的离子迁移导致对驱动太阳能电池中电荷提取的内部电场的筛选，这与以前的报道一致。引人注目的是，当在偏置下监测设备性能随时间变化时，他们观察到这种影响慢慢的变明显，并且是设备老化期间效率损失的关键因素。

  为了隔离离子迁移的影响，研究人员通过扫描高扫描速率和低扫描速率下的电流-电压曲线来测量器件效率;在太阳能电池在光照下老化数百小时到1000多小时之前和之后，都会记录其效率。他们的结果与Tress等人先前报告的数据相同。具体来说，他们观察到，当使用高扫描速率时，老化设备的性能可与新鲜的太阳能电池相媲美。然而，在较低的扫描速率下，即研究界通常使用的扫描速率，老旧设备的性能直线下降是显而易见的，这与文献一致。

  研究小组根据电流-电压测量时间是否短于或长于施加偏置引起的钙钛矿中离子迁移相关的时间来解释这种差异。在足够高的扫描速率下，离子基本上被“冻结”在钙钛矿晶格中的原始位置，并且该器件的行为类似于“移动无离子”太阳能电池（图1）。相反，在较低的扫描速率下，离子有足够的时间重新分布（图1a）。这种重新分配与功率转换效率的下降有关，设备暴露在光线或其他压力源下的时间越长，功率转换效率就越大。基于这种相关性和离子在高扫描速率下冻结的假设，研究人员将低扫描速率和高扫描速率下评估的性能之间的差异称为离子损失。他们通过测试基于具有不一样成分的钙钛矿层以及各种有机和无机接触材料的太阳能电池，证明了观察到的离子损失随老化而增加的普遍性（图1c）。

  为了解释这些结果，Thiesbrummel、Shah等人通过漂移扩散模拟研究了离子迁移对器件中静电景观的影响。他们表明，离子的迁移部分屏蔽了钙钛矿层中的内部电场。由于器件中的内部电场有利于提取光产生的电子电荷，因此其屏蔽会导致损耗增加（本体和触点界面处的电子电荷复合）和器件性能的降低。

  研究团队对新鲜和老化的太阳能电池进行进一步的瞬态电测量，以量化移动离子的浓度。根据结果，他们都以为，由于移动离子浓度的增加，在低扫描速率下进行的电流-电压测量过程中的内部电场会随着老化而降低（图1）。他们排除了表面复合速度的增强或本体电子电荷寿命的缩短是电荷复合增加的原因，因为这在低扫描速率和高扫描速率下进行的测量中都很明显。

  研究结果强调了移动离子对电子电荷传输和复合的影响，这是导致运行中设备整体性能直线下降的重要的因素。这些发现为移动离子在太阳能电池老化演变中的核心作用提供了有见地的证据，并为阐明钙钛矿的混合导电特性与器件稳定性之间的关系迈出了一步。例如，根据结果得出，为了获得具有更高稳定性的器件，应第一先考虑钙钛矿在偏置下的离子特性和整个太阳能电池的静电特性的仔细设计。

  研究团队开发的协议可以扩展，以更深入地了解偏差条件与性能直线下降之间的关系。例如，在老化过程中，将不同的电气和照明偏置协议应用于设备会影响性能及其随时间的演变，如Thiesbrummel，Shah等人和另外的地方的工作所示。在这个方向上的进一步研究能够在一定程度上帮助确定离子和非离子损失的来源，并确定离子和电子电荷载流子的分布怎么样影响这些损失随着老化而演变。这些见解可以改进器件性能直线下降模型，并解开具有更好性能和稳定能力的器件的设计规则。

  未来的工作还应寻求阐明研究人员提出的移动离子浓度增加的热力学和机理方面，包括通过独立技术进行进一步的实验验证。例如，阐明该过程的驱动力可能指向钙钛矿成分，其中移动离子的浓度不受照明和电偏置的影响。最后，未来的研究还应该探索Thiesbrummel，Shah等人观察到的离子损失是否与（部分）可逆效应有关。这可以揭示相关的化学过程，例如离子和电子电荷之间的相互作用，这会导致离子损失随着老化而增加，同时还可以验证钙钛矿太阳能电池在实际操作期间性能恢复的机会。

  掌握金属卤化物钙钛矿的离子特性是寻求稳定器件的重大挑战。能确定离子迁移对稳定性影响的实验方法，例如Thiesbrummel，Shah等人提出的实验方法，可以在化学，物理和工程水平上为设备优化提供新方法。最终，这可以有效的预防在与光伏应用相关的工作条件下移动离子重新分布对器件效率的不利影响。

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