IF50.5｜钙钛矿太阳能电池昼夜循环下晶格应变加速衰减

自然昼夜循环比连续光照更伤钙钛矿电池，晶格应变是元凶。

这篇按生信解读号的读法拆：先看背景和问题，再看作者怎么做、做出了哪几条硬发现，最后把数据和代码收走。

研究背景

钙钛矿太阳能电池（pero-SCs）效率已突破26%，但稳定性评估仍沿用硅电池的连续光照加速老化协议（如ISOS-L）。此前有报道称钙钛矿在暗态下存在自修复效应，因此昼夜循环模式可能比连续光照更温和。然而，实际运行中温度随昼夜波动，钙钛矿软晶格会热胀冷缩，产生周期性应变。已有研究在固定室温下比较两种模式，忽略了温度变化的影响。近期一项超过两年的户外追踪显示，自然昼夜循环下电池衰减模式与连续光照显著不同，但具体机制尚不清楚。

科学问题

卡在哪里： 现有稳定性测试协议多采用连续光照，未考虑自然昼夜循环中的温度波动。已有循环模式研究往往固定温度在室温，忽略了热胀冷缩引起的晶格应变。因此，钙钛矿电池在真实昼夜循环下衰减是否更快、关键因素是什么，以及如何针对性改进，均缺乏系统研究。

本文要回答： 揭示自然昼夜循环模式下钙钛矿电池衰减加速的机制，并开发策略抑制晶格应变，提升循环稳定性。

技术路线

作者主要用了：原位同步辐射GIWAXS、热导纳谱、驱动级电容剖面、离子迁移活化能测试。

作者首先对比了FAPbI3基钙钛矿电池在连续光照和模拟昼夜循环（光照+温度波动）下的效率衰减，发现循环模式衰减更快。通过控制变量实验，将光照循环和温度循环解耦，确定温度波动是主因。进一步利用原位同步辐射GIWAXS追踪循环过程中晶格结构演变，发现晶格应变周期性重建。随后通过热导纳谱和驱动级电容剖面分析缺陷态演化，结合离子迁移活化能测试，揭示晶格应变导致深能级缺陷累积和离子迁移加剧。最后，设计苯基硒氯（Ph-Se-Cl）添加剂调控晶格应变，验证其对循环稳定性的改善效果。

图 1　Fig. 1。图1对比了连续和循环模式下FAPbI3电池的效率衰减。a显示循环模式衰减更快；b表明固定室温下循环光照衰减略慢于连续光照；c显示循环热老化比连续热老化更严重；d-e为原位GIWAXS结果，显示光照升温时衍射峰向低q移动（晶格膨胀），冷却后恢复，表明晶格应变周期性变化。

核心亮点

亮点 1｜循环模式衰减快于连续模式

在相同光照时间下，FAPbI3电池在连续模式156小时后保持约57%初始效率，而循环模式13个昼夜循环后仅剩约39%。循环模式中，暗态恢复后效率衰减速率反而加快（第二个循环衰减速率约0.75% h⁻¹，高于首个循环的约0.5% h⁻¹）。通过对比不同器件结构（含碳电极无空穴传输层）和多种钙钛矿组分（FA0.92MA0.08PbI3、Cs0.05FA0.7MA0.25PbI2.6Br0.4），确认加速衰减源于钙钛矿活性层本身，且具有普遍性。

图 2　Fig. 2。图2展示了缺陷演化。a为tDOS谱，循环老化后深能级陷阱带II强度显著高于连续老化；b为陷阱带II的空间分布，循环模式下界面缺陷密度更高；c显示循环模式下离子迁移活化能Ea持续下降；d-e为机理示意图，对比连续模式（应变释放）和循环模式（应变重建）下缺陷累积过程。

亮点 2｜温度波动诱导周期性晶格应变

原位同步辐射GIWAXS显示，光照升温过程中FAPbI3从正交相转变为更高对称性的赝立方相，晶格体积膨胀约0.48%；冷却至室温后晶格收缩回正交相，应变重新形成。连续模式下晶格应变逐渐释放，而循环模式下应变周期性重建。薄膜应力在白天约45 MPa，暗态增至约75 MPa，导致老化后薄膜出现裂纹。

图 3　Fig. 3。图3展示了Ph-Se-Cl对钙钛矿晶格的调控。a-b为XRD结果，显示Ph-Se-Cl促进钙钛矿相形成，减少PbI2残留；c为高分辨TEM图像，显示PhSe-plumbate位于晶界；d为GIWAXS精修结果，显示pero-Ph-Se-Cl在室温下为赝立方相；e显示自发应变降低；f-h为原位GIWAXS结果，显示循环过程中晶格体积和峰宽几乎不变。

亮点 3｜晶格应变累积深能级缺陷并加速离子迁移

热导纳谱显示，循环老化后深能级陷阱带II（约0.37 eV）密度显著高于连续老化，且主要分布在钙钛矿/传输层界面。驱动级电容剖面证实界面缺陷密度增加。离子迁移活化能Ea在循环模式下从0.25 eV降至0.13 eV，而连续模式几乎不变（约0.19 eV），表明循环模式加剧离子迁移，导致更严重降解。

图 4　Fig. 4。图4展示了器件性能和稳定性。a为J-V曲线，pero-Ph-Se-Cl器件认证效率26.3%；b为循环模式下稳定性对比，改性器件43个循环后保持80%以上效率，对照仅13个循环后降至39%；c为高温循环（室温至85°C）下稳定性，改性器件25个循环后保持96%，对照仅27%；d为连续和循环模式下衰减对比，改性器件两种模式衰减速率相当。

亮点 4｜Ph-Se-Cl调控晶格应变提升循环稳定性

苯基硒氯（Ph-Se-Cl）添加剂与PbI2反应生成PhSe-plumbate锚定在晶界，使FAPbI3在室温下保持高对称赝立方相，释放自发应变。原位GIWAXS显示，添加Ph-Se-Cl后晶格体积在循环中几乎不变。改性器件认证效率达26.3%，在循环模式下T80寿命延长10倍（从约13个循环提升至43个循环），且在85°C高温循环下25个循环后仍保持96%初始效率。

生信可带走

这一块是给做分析的人用的，不是科普点缀。

• 方法栈： 原位同步辐射GIWAXS、热导纳谱、驱动级电容剖面、离子迁移活化能测试
• 公开数据： 原文未给出公开组学登录号
• 代码： 原文未给出公开 GitHub/GitLab 仓库
• 谁该点开原文： 从事钙钛矿光伏稳定性研究、器件物理或同步辐射表征的科研人员。

带走一句

评估钙钛矿电池寿命不能只看连续光照，必须纳入昼夜温度循环；晶格应变是隐藏的衰减加速器，调控应变可大幅提升真实工况寿命。