基于大數(shù)據(jù)的鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性分析方法

鈣鈦礦太陽能電池是極具應(yīng)用前景的新一代光伏技術(shù)，受到研究者和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，但其穩(wěn)定性問題阻礙了商業(yè)化應(yīng)用。當(dāng)前，鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性提升策略仍來自于單一實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，缺乏基于大數(shù)據(jù)的宏觀統(tǒng)計(jì)結(jié)論。由于鈣鈦礦復(fù)雜的降解過程、未統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn)（溫度、濕度、光照等）和記錄方式，難以直接對已經(jīng)發(fā)表的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

近日，南開大學(xué)羅景山教授課題組針對鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性問題，提出了可用于不同測試條件下鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性數(shù)據(jù)評(píng)估的統(tǒng)一指標(biāo)，并對開放數(shù)據(jù)庫Perovskite Database中超過7000組穩(wěn)定性數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，探究了不同鈣鈦礦組分、器件結(jié)構(gòu)對器件穩(wěn)定性的影響。

圖1.（a）鈣鈦礦太陽能電池的一般器件結(jié)構(gòu)。（b）數(shù)據(jù)庫記錄的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)使用的測試標(biāo)準(zhǔn)的分布。（c）鈣鈦礦太陽能電池效率兩種典型的衰減曲線。

羅景山團(tuán)隊(duì)根據(jù)以往有機(jī)太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池的加速老化實(shí)驗(yàn)中使用的加速因子的概念，提出了統(tǒng)一的穩(wěn)定性描述指標(biāo)TS80m。該指標(biāo)將鈣鈦礦太陽能電池壽命TS80與加速因子結(jié)合，避免了快速老化階段對壽命預(yù)測的干擾，同時(shí)體現(xiàn)了不同環(huán)境壓力的影響，可以將不同條件下測試和不同方式記錄的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)歸一化到同一標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)獲得的數(shù)據(jù)符合對數(shù)正態(tài)分布。依據(jù)該指標(biāo)對Perovskite Database中的7419組穩(wěn)定性數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化后，進(jìn)行了數(shù)據(jù)可視化和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，利用t假設(shè)檢驗(yàn)方法得出了不同鈣鈦礦組分和器件結(jié)構(gòu)對穩(wěn)定性影響的統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)論。

圖2. 數(shù)據(jù)集的概覽。（a）TS80m值的直方圖。（b）TS80m值的正態(tài)概率圖。（c-d）log(TS80m)值的對應(yīng)圖(log為自然對數(shù))。

以鈣鈦礦吸收層為例，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，主流的甲脒鉛碘（FAPbI3）系鈣鈦礦和全無機(jī)鈣鈦礦穩(wěn)定性均優(yōu)于甲胺鉛碘（MAPbI3）系，平均提升可達(dá)1.8倍和3.6倍。此外，對于功能層和器件結(jié)構(gòu)，二維鈣鈦礦覆蓋層、器件封裝，以及正式器件中的無機(jī)空穴傳輸層、碳電極、納米顆粒氧化錫電子傳輸層均對器件穩(wěn)定性提升有較大幫助，其中碳電極器件穩(wěn)定性提升可達(dá)7倍以上。

圖3. 器件穩(wěn)定性與容忍因子的關(guān)系。（a）數(shù)據(jù)庫記錄的器件數(shù)量與容忍因子和文章發(fā)表日期相關(guān)的熱圖。（b）數(shù)據(jù)庫記錄的器件最優(yōu)穩(wěn)定性（以TS80m值計(jì)）與容忍因子和文章發(fā)表日期相關(guān)的熱圖。（c）不同容忍因子范圍內(nèi)器件TS80m值的核密度估計(jì)圖。（d）不同容忍因子范圍內(nèi)器件TS80m值的比值（通過假設(shè)檢驗(yàn)方法計(jì)算）。

圖4. 器件穩(wěn)定性與功能層的關(guān)系。（a-b）不同鈣鈦礦層器件穩(wěn)定性的核密度估計(jì)圖和比值。（c-d）不同空穴傳輸層器件穩(wěn)定性的核密度估計(jì)圖和比值。（e-f）不同電子傳輸層器件穩(wěn)定性的核密度估計(jì)圖和比值。

圖5. 器件穩(wěn)定性與器件結(jié)構(gòu)的關(guān)系。（a-b）正式和反式器件穩(wěn)定性的核密度估計(jì)圖和比值。（c-d）有無封裝的器件穩(wěn)定性的核密度估計(jì)圖和比值。

文章還討論了模型和方法的不確定性，結(jié)果表明模型參數(shù)的改變和統(tǒng)計(jì)方法引入的偏差不會(huì)影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果的正確性，驗(yàn)證了模型和方法的可靠性。

綜上所述，本工作提出了統(tǒng)一的鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性描述指標(biāo)，并基于大數(shù)據(jù)將統(tǒng)計(jì)學(xué)方法應(yīng)用在鈣鈦礦穩(wěn)定性評(píng)估上，對領(lǐng)域內(nèi)的研究經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，并進(jìn)一步給出了準(zhǔn)確量化的結(jié)論，對進(jìn)一步探索鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性提升策略具有重要參考意義。

該研究發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊Nature Communications上。論文第一作者為博士生張狀，羅景山教授為通訊作者，并得到了T. Jesper Jacobsson特聘研究員的協(xié)助指導(dǎo)。該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、天津市杰出青年基金和物質(zhì)綠色創(chuàng)造與制造海河實(shí)驗(yàn)室的資助。

審核編輯：湯梓紅