基于大數據的鈣鈦礦太陽能電池穩定性分析方法

鈣鈦礦太陽能電池是極具應用前景的新一代光伏技術，受到研究者和產業界的廣泛關注，但其穩定性問題阻礙了商業化應用。當前，鈣鈦礦太陽能電池的穩定性提升策略仍來自于單一實驗經驗，缺乏基于大數據的宏觀統計結論。由于鈣鈦礦復雜的降解過程、未統一的測試標準（溫度、濕度、光照等）和記錄方式，難以直接對已經發表的歷史數據進行比較。

近日，南開大學羅景山教授課題組針對鈣鈦礦太陽能電池穩定性問題，提出了可用于不同測試條件下鈣鈦礦太陽能電池穩定性數據評估的統一指標，并對開放數據庫Perovskite Database中超過7000組穩定性數據進行了統計分析，探究了不同鈣鈦礦組分、器件結構對器件穩定性的影響。

圖1.（a）鈣鈦礦太陽能電池的一般器件結構。（b）數據庫記錄的穩定性數據使用的測試標準的分布。（c）鈣鈦礦太陽能電池效率兩種典型的衰減曲線。

羅景山團隊根據以往有機太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池的加速老化實驗中使用的加速因子的概念，提出了統一的穩定性描述指標TS80m。該指標將鈣鈦礦太陽能電池壽命TS80與加速因子結合，避免了快速老化階段對壽命預測的干擾，同時體現了不同環境壓力的影響，可以將不同條件下測試和不同方式記錄的穩定性數據歸一化到同一標準，同時獲得的數據符合對數正態分布。依據該指標對Perovskite Database中的7419組穩定性數據進行歸一化后，進行了數據可視化和統計學分析，利用t假設檢驗方法得出了不同鈣鈦礦組分和器件結構對穩定性影響的統計學結論。

圖2. 數據集的概覽。（a）TS80m值的直方圖。（b）TS80m值的正態概率圖。（c-d）log(TS80m)值的對應圖(log為自然對數)。

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

圖3. 器件穩定性與容忍因子的關系。（a）數據庫記錄的器件數量與容忍因子和文章發表日期相關的熱圖。（b）數據庫記錄的器件最優穩定性（以TS80m值計）與容忍因子和文章發表日期相關的熱圖。（c）不同容忍因子范圍內器件TS80m值的核密度估計圖。（d）不同容忍因子范圍內器件TS80m值的比值（通過假設檢驗方法計算）。

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

圖5. 器件穩定性與器件結構的關系。（a-b）正式和反式器件穩定性的核密度估計圖和比值。（c-d）有無封裝的器件穩定性的核密度估計圖和比值。

文章還討論了模型和方法的不確定性，結果表明模型參數的改變和統計方法引入的偏差不會影響統計結果的正確性，驗證了模型和方法的可靠性。

綜上所述，本工作提出了統一的鈣鈦礦太陽能電池穩定性描述指標，并基于大數據將統計學方法應用在鈣鈦礦穩定性評估上，對領域內的研究經驗進行了驗證，并進一步給出了準確量化的結論，對進一步探索鈣鈦礦太陽能電池穩定性提升策略具有重要參考意義。

該研究發表在國際著名學術期刊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特聘研究員的協助指導。該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家優秀青年科學基金、天津市杰出青年基金和物質綠色創造與制造海河實驗室的資助。

審核編輯：湯梓紅