北京化工大学谭占鳌教授、于润楠副教授团队—钙钛矿太阳能电池光稳定性：挑战与提高策略 MDPI Nanomaterials。论文标题：Photostability of Perovskite Solar Cells: Challenges and Strategies
论文链接：https://www.mdpi.com/2079-4991/15/11/786
期刊名：Nanomaterials
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/nanomaterials
研究背景
近年来，钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）凭借高光电转换效率、低成本制备以及优异的溶液加工特性，迅速成为新一代光伏技术的重要研究方向。目前，PSCs的认证效率已突破26%，展现出广阔的商业化应用前景。然而，相较于效率的快速提升，其长期运行稳定性问题仍是限制产业化发展的核心瓶颈，其中紫外光（UV）诱导的光降解问题尤为突出。
太阳光中的UVA与UVB辐射能够持续破坏钙钛矿晶体结构，引发Pb-I键断裂、卤素离子迁移以及界面腐蚀等一系列连锁反应，导致器件性能快速衰减。在实际运行环境中，紫外光不仅会诱导钙钛矿材料分解，还会加速缺陷形成与相分离过程，严重影响器件寿命与运行可靠性。因此，如何提升PSCs的光稳定性与紫外稳定性，已成为当前钙钛矿光伏领域的重要科学问题。
近日，北京化工大学谭占鳌教授、于润楠副教授团队在 Nanomaterials 期刊发表综述文章，系统总结了近年来钙钛矿太阳能电池在紫外稳定性方面的研究进展，从紫外降解机理、外部防护策略以及器件内部优化等多个角度，对提升PSCs光稳定性的关键技术进行了全面梳理，为后续高稳定性钙钛矿光伏器件的发展提供了重要参考。
紫外降解机制与失效过程
钙钛矿太阳能电池在紫外光照条件下的失效，本质上来源于高能光子对晶体结构和界面的持续破坏。研究表明，紫外光照会直接打断钙钛矿中的Pb-I键，形成碘空位、间隙碘以及I2等活性中间体，并进一步诱发离子迁移与界面腐蚀反应。
在持续光照与电场共同作用下，I−离子会向器件界面迁移，并与金属电极发生反应，形成不可逆界面障碍层。同时，Pb2+还会被还原为金属Pb0，形成深能级缺陷中心，加剧非辐射复合过程，导致开路电压与器件效率迅速下降。研究人员将这一连续降解过程概括为光解—迁移—腐蚀级联机制，即：
1.光解产生迁移离子；
2.离子迁移引发界面腐蚀；
3.腐蚀进一步加速材料本体分解。
此外，混卤钙钛矿在紫外照射下还容易发生卤素相分离，形成富碘相与富溴相区域。其中，富碘区域会进一步降低局域带隙并诱导更严重的电压损失，从而削弱器件稳定性与光伏性能。
外部防护策略
针对紫外诱导降解问题，研究人员首先从器件外部封装与光谱调控角度提出了多种稳定化方案。
最直接的方法是在入射光侧引入紫外过滤层，通过物理阻挡高能UV光进入器件，从源头抑制紫外降解反应。例如，研究人员开发的FTH纤维素纸不仅具有高透光性和高雾度，还能够有效吸收紫外光，从而显著提升PSCs的运行稳定性。
然而，传统UV阻隔层虽然能够提高稳定性，却会造成部分紫外光能量损失，降低器件短路电流密度与整体效率。为解决这一矛盾，研究人员进一步提出光谱转换策略，即利用下转换材料将有害紫外光转化为钙钛矿能够吸收利用的可见光。
例如，基于BBOT荧光分子的光谱转换层能够吸收250–400 nm范围内的紫外光，并发射400–600 nm可见光，从而实现：
1.紫外屏蔽；
2.光子再利用；
3.光捕获增强。
实验结果表明，该策略在提升紫外稳定性的同时，还能够有效提高器件的可见光利用率。
此外，壳胶（Shellac）封装层、稀土下转换材料以及发光下转换（LDS）封装结构等新型封装方案，也被广泛用于增强器件的抗UV能力，并进一步改善光管理性能。
内部优化策略
除了外部防护外，近年来研究人员更多地从器件内部结构出发，通过优化钙钛矿体相、埋底界面以及电荷传输层等关键部分，提高PSCs本征光稳定性。
钙钛矿体相优化
钙钛矿材料组成与晶体结构对光稳定性具有决定性影响。研究发现，通过调节Cs+、FA+、MA+等A位阳离子以及Br-/I-卤素比例，可以有效调控晶格八面体倾斜程度，从而降低六方相杂质生成并抑制光降解。
此外，引入防晒分子也是近年来的重要研究方向。例如，2-hydroxy-4-methoxybenzophenone分子能够在紫外照射下吸收UV能量，同时通过分子异构化实现缺陷钝化，从而同时发挥：
1.紫外吸收；
2.缺陷修复；
3.晶格保护等多重功能。
采用该策略后，器件效率可达23.09%，并表现出优异的UV稳定性。
埋底界面优化
埋底界面是离子迁移与界面降解最易发生的区域，因此其优化对于提升PSCs稳定性至关重要。
研究人员通过在SnO2电子传输层中引入CsI，构建CsI-SnO2复合界面，不仅改善了钙钛矿结晶质量，还有效降低了界面缺陷密度与载流子复合损失。基于该策略的器件在500 h UV老化后仍能保持88%的初始效率。
此外，Eu-MOF界面层可通过下转换机制将UV光转化为可见光，同时增强光吸收与光能利用效率。CsPbCl3纳米晶界面层则能够有效阻挡碘离子迁移，并形成CsI保护层，大幅提升器件运行稳定性。采用该策略后，器件PCE由22.06%提升至24.66%，T80寿命提高约8倍。
电荷传输层优化
电荷传输层同样对器件紫外稳定性具有重要影响。传统有机空穴传输层在高能UV照射下容易发生分子降解，因此研究人员开发了具有更强UV耐受性的自组装单分子层（SAM）材料。
其中，MeO-PhPACz由于具有更强紫外吸收能力与更稳定的芳香共轭结构，能够有效抑制相分离与界面降解。实验结果表明，在365 nm UV持续照射下，其器件效率保持率达到85%，明显优于传统MeO-2PACz体系。
与此同时，无机空穴传输层也受到广泛关注。例如，Mg掺杂CoOx空穴传输层不仅具有更高的界面稳定性和更低缺陷密度，还能够显著提高器件的热稳定性与UV稳定性，器件效率最高可达22.35%。
挑战与展望
尽管近年来PSCs在光稳定性研究方面已取得显著进展，但距离实际商业化应用仍存在诸多挑战。
首先，紫外过滤策略虽然能够有效提升稳定性，却会导致部分蓝光损失，从而降低短路电流与器件效率。此外，UV阻隔过程中的热积累问题也可能进一步加速封装层老化。
其次，当前界面修饰层与离子掺杂策略往往会增加器件制备复杂度，甚至引入新的载流子复合中心，不利于大面积工业化生产。
与此同时，现实应用环境中的紫外老化通常伴随着湿度、热应力以及氧气等多重因素耦合作用，而目前多数研究仍停留在单一应力条件测试阶段，缺乏更加贴近实际应用环境的加速老化评价体系。
展望未来，钙钛矿太阳能电池的稳定性研究将持续聚焦于：
1.高稳定性钙钛矿材料设计；
2.多功能界面保护层开发；
3.紫外光转换与光管理技术；
4.高可靠性封装体系；
5.室内光伏与空间光伏应用。
特别是紫外光转换策略，通过将有害UV光转化为可利用可见光，不仅能够保护钙钛矿材料，还能够进一步提升器件光能利用效率，被认为是未来极具潜力的发展方向。
凭借高效率、低成本以及柔性可扩展等独特优势，PSCs有望在建筑光伏一体化、柔性电子、室内能源供给以及空间能源系统等领域展现广阔应用前景，并逐步发展成为下一代高性能光伏技术的重要组成部分。
作者简介
谭占鳌，北京化工大学教授，博士生导师。2007年毕业于中国科学院化学研究所，获得博士学位；2007-2009年在美国宾夕法尼亚州立大学做博士后研究；2009–2019年在华北电力大学可再生能源学院工作；2019年11月至今在北京化工大学软物质科学与工程高精尖中心工作。2010年入选北京市科技新星计划，2012年入选教育部新世纪优秀人才支持计划。2014年、2018年、2024年三次获北京市科学技术奖。主要研究方向：聚合物/钙钛矿太阳电池材料与器件，量子点/钙钛矿电致发光材料与器件，软物质功能材料，液流电池。在Nat. Photon., Nat. Synth., Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem., Energy Enviorn. Sci.等国际期刊上发表SCI收录论文280余篇，被引用19000余次。作为项目负责人主持及完成国家重点研发专项、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、企业委托等项目30余项。担任国家科技奖、科技部重点研发计划、国家自然科学基金评审专家。担任国际SCI期刊Nanomaterials副主编，Polymers和《发光学报》编委。
于润楠，北京化工大学副教授、硕士生导师。入选2023–2025北京市科协青年人才托举工程，入选北京化工大学青年英才百人计划；主持国家自然科学基金青年基金、面上项目及中央高校科研项目，国家重点研发计划青年科学家项目子课题，参与国家重点研发技术可再生能源专项。连续入选年度全球前2%顶尖科学家影响力榜单，担任 Carbon Neutrality 青年编委、Nanomaterials 特刊客座编辑。近年来围绕新型薄膜光伏器件的材料设计与器件制备开展了系统的研究工作，截至目前发表学术论文80余篇，他引8000余次，h-index 35。以第一及通讯作者身份在 Nature Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater. 、Natl. Sci. Rev.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater. 及 CCS Chem. 等Top期刊上发表30余篇论文，含多篇ESI高被引论文及热点论文。
刘若涵，北京化工大学硕士生，师从谭占鳌教授，现于有机光电材料与器件课题组开展研究工作，主要研究方向为钙钛矿太阳能电池稳定性提升及界面调控。长期关注钙钛矿光伏器件的光稳定性与环境稳定性研究，致力于高效率、长寿命新型光伏器件的开发。
Nanomaterials 期刊介绍
主编：Eugenia Valsami-Jones, University of Birmingham, UK
期刊聚焦纳米材料科学领域的研究，旨在发表纳米材料制备、表征和应用各个方面的研究。目前期刊已被Scopus、SCIE (Web of Science)、pubmed、PMC、Embase、CAPlus / SciFinder、Inspec等数据库收录。
2025 Impact Factor: 4.8
2025 CiteScore: 10.3
Time to First Decision: 12.5 Days
Acceptance to Publication: 2.7 Days
来源：Nanomaterials
