纳米热成像技术原位解析钙钛矿太阳能电池光致降解机制

针对钙钛矿太阳能电池(PSCs)界面降解机制不明的关键问题，研究人员创新性地将上转换纳米颗粒(UCNPs)嵌入钙钛矿/空穴传输层(HTL)界面，首次实现了光致加速降解过程中界面温度演变的原位监测。该研究揭示了热积累-相变-材料分解的动态关联，为理解PSCs降解时空演化提供了新视角，发表于《Nano Energy》。

　　

钙钛矿太阳能电池(PSCs)作为光伏领域的新星，其功率转换效率已突破25%，但长期稳定性问题犹如"阿喀琉斯之踵"严重制约商业化进程。特别令人困扰的是，电池内部埋藏界面处的关键降解过程始终如同"黑箱"，传统表征技术因空间分辨率不足而难以捕捉。更棘手的是，光热耦合作用下的降解机制充满谜团——当光子不断轰击钙钛矿晶格时，局部热效应如何影响材料相变？界面温度变化与性能衰减存在怎样的动态关联？这些问题不解决，稳定性提升就如同"盲人摸象"。

法国巴黎高等物理化工学院(ESPCI Paris)的Jiazhuo Nie等研究者独辟蹊径，将具有温度敏感荧光特性的上转换纳米颗粒(UCNPs)植入电池核心界面，犹如在微观世界安装了"纳米温度计"。这项发表于《Nano Energy》的研究开创性地实现了三同步监测：通过UCNPs的荧光强度比(I₁/I₂)实时追踪界面温度，结合光电性能测试和原位光谱分析，首次绘制出钙钛矿电池降解过程的"热力学地图"。

关键技术方法包括：1)水热法合成尺寸均一的β-NaYF₄:15%Er³⁺ UCNPs；2)将UCNPs嵌入FA_0.9MA_0.1PbI₃和FA_0.87MA_0.13PbI_2.87Br_0.13两种钙钛矿器件的HTL界面；3)搭建多参数联测系统，采用447 nm蓝激光诱导降解，975 nm激光激发UCNPs测温，同步采集光电流-电压(J-V)曲线和光致发光(PL)光谱。

【结果与讨论】

1. 1.

   UCNPs的精准测温性能

   研究人员设计的六方柱状UCNPs(直径980±30 nm)在975 nm激发下呈现典型Er³⁺发射峰。通过校准510-532 nm(I₁)与532-565 nm(I₂)荧光强度比，建立Arrhenius型温度响应模型，测温精度达0.5°C。这种"纳米温度计"被巧妙植入钙钛矿/HTL界面，即使被金电极部分覆盖仍能有效工作。

2. 2.

   界面温度与性能的关联演化

   在50 mW/cm²蓝光照射下，混合卤素器件界面温度持续升高3°C，显著高于纯碘化物器件的1.5°C。这种差异与更严重的效率衰减(PCE下降80%)和PL红移(Δλ≈6 nm)完美对应。XRD和SEM证实混合卤素样品产生更多PbI₂和空洞，说明Br掺杂加剧了热辅助分解。

3. 3.

   光强依赖的降解动力学

   提高蓝光强度至390 mW/cm²时，出现反常的温度下降现象。CCD成像捕捉到"空洞生长"的动态过程：初始阶段(0-15分钟)缺陷处优先分解，形成光透射通道；中期(15-90分钟)空洞快速扩张；后期进入平稳期。这种"自限制"降解模式解释了温度先升后降的三阶段特征。

4. 4.

   热-光-电耦合机制

   通过对比六种光强下的数据，研究者构建出降解相图：低光强时热积累主导，中光强出现热积累与材料分解的竞争，高光强则完全由分解主导。特别重要的是，发现光伏性能对初期纳米级缺陷极为敏感——即使吸收仅降低5%，PCE已衰减50%，这为理解"表观性能突降"提供了新视角。

这项研究的意义不仅在于揭示了钙钛矿降解的"温度密码"，更开创了纳米热成像诊断新技术。UCNPs测温方法可推广至其他薄膜器件，为界面热管理研究提供普适工具。发现的光强依赖降解机制为加速老化实验设计提供了重要参考，而Br掺杂加剧热不稳定性的结论则对组分优化具有直接指导价值。正如研究者指出，未来通过调控界面热导率或开发热稳定界面层，有望突破钙钛矿电池的稳定性瓶颈。这项工作将器件物理与热科学深度交叉，为能源材料研究开辟了新范式。