武汉理工大学王宁&武汉大学台启东团队:原位光纤传感洞悉内部降解机制赋能新一代光伏发展

钙钛矿太阳能电池的长期不稳定性是其商业化面临的主要障碍。在紫外线的照射下，材料固有的光致衰退会引发离子迁移并在晶格内产生缺陷，加速器件失效。为了解决这一难题，武汉理工大学与武汉大学的研究团队合作开发了一种用于钙钛矿太阳能电池的原位实时应力监测系统。该研究利用嵌入的双光纤布拉格光栅传感器，动态追踪紫外线老化期间的钙钛矿界面应力演变并识别关键降解阈值。这种创新方法通过策略性干预，使器件的可恢复窗口延长了140%，为构建长寿命、高效率的钙钛矿光伏器件提供了理论依据与技术支撑。

关键词：钙钛矿太阳能电池；紫外降解；光纤传感器；原位监测；失效分析

Citation: Weijin Chen, Zhengyang Ke, Junjun Jin, Jiahong Cheng, Qidong Tai, Ning Wang. Operando stress monitoring reveals critical reversibility thresholds in UV-degraded perovskite solar cells[J]. Materials Futures. DOI: 10.1088/2752-5724/ae628f

钙钛矿太阳能电池作为一种新兴的光伏技术，其功率转换效率目前已超过27%。然而，长期不稳定问题仍然是阻碍其商业化的主要障碍。在紫外辐照下，材料内在的光诱导劣化会引发离子迁移并加剧晶格内缺陷的产生，从而加速器件失效。关键在于，这种化学不稳定性与机械降解有着不可分割的联系，挥发性分解产物的损失会导致局部晶格体积收缩，这种收缩进而引发局部拉伸应变。然而，传统的电学指标响应往往存在滞后性，只有在出现严重的微观结构缺陷、裂纹扩展和不可逆的相分离之后，才会记录到效率的下降。因此，对这些内部化学机械应力动态进行实时监测，对开发长寿命、高效率的钙钛矿太阳能电池至关重要。

针对传统测试方法的局限，研究团队创新性地开发出了一种集成诊断技术，将双光纤布拉格光栅传感器精准嵌入到碳基钙钛矿太阳能电池内部。原位监测数据揭示，电池内部的应力演变具有典型的两阶段特征：在初期会经历快速的应力累积，随后逐渐过渡到应力弛豫状态。通过对应力演变的映射，研究人员确定了一个关键的器件效率阈值，在此处应力与效率衰减发生交叉，这可作为判断器件恢复窗口的关键诊断指标。

基于精准的应力监测反馈，研究团队进一步实施了以应力变化为导向的器件原位自修复策略。研究人员在电池的碳浆中引入了5 wt%的MAI。这一设计在器件降解的初始阶段成功激活了其内部的原位自修复机制。在这种机制中，MAI扮演了一个高容量化学存储库，它能够源源不断地驱动保护性离子进行固态扩散。这些离子能够持续修复钙钛矿晶格中产生的空位，并及时补充因长时间暴露于紫外线下而流失的挥发性有机阳离子。电学和结构恢复测试表明，得益于这种创新性的修复干预手段，经过30分钟的暗处理修复后，器件的效率提升了12%。同时，采用该策略的器件，其可恢复的有效操作运行时间窗口更是大幅度延长了140%。

本研究阐明了钙钛矿太阳能电池化学机械不稳定性产生的原因，并为钙钛矿光伏器件的主动生命周期管理提供了一个强大的应力监测系统。在未来的研究中，团队将探索无缝集成分布式光纤传感网络，以生成动态空间应力图，从而推动大面积钙钛矿组件的工业化演进。将这种原位诊断技术与自动化功率管理相结合，对于构建自主太阳能阵列具有一定潜力。自主控制回路可以将实时内部应力与这些通用阈值进行对标，以触发及时的修复干预。这种方法将带领整个光伏行业的范式从被动维护向主动生命周期管理转变。