钙钛矿太阳能电池具有高效和低成本的生产优势。然而，在实际天气条件下，它们在数十年内仍然缺乏稳定性。一项国际研究合作现已探索多次热循环对钙钛矿太阳能电池不同层之间微观结构和相互作用的影响。他们得出结论，热应力是金属卤化物钙钛矿退化的决定性因素。基于此，他们提出了提高钙钛矿太阳能电池长期稳定性的最有前景的策略。
钙钛矿是一类具有半导体特性的广泛材料，适合用于太阳能电池的能量转换：其中最好的金属卤化物钙钛矿的效率已经高达27%。生产这种薄膜太阳能电池所需的材料和能源相对较少，因此太阳能可能变得更便宜。然而，在户外使用时，太阳能模块应至少提供20到30年的近乎稳定的产量。在钙钛矿材料方面，仍然有很大的改进空间。
一项由安东尼奥·阿巴特教授领导的国际研究合作现在在《自然评论材料》期刊上发表了数年工作的成果。与来自中国河南大学的李猛教授领导的团队以及来自意大利、西班牙、英国、瑞士和德国的其他合作伙伴一起，他们展示了热应力是金属卤化物钙钛矿退化的决定性因素。
“在户外使用时，太阳能模块暴露在气候和季节的影响下，”阿巴特表示。虽然封装可以有效保护电池免受湿气和大气氧气的影响，但它们仍然会经历白天和夜晚以及四季之间相当大的温度变化。根据地理条件，太阳能电池内部的温度可能范围从零下40摄氏度到零上100摄氏度（例如在沙漠中）。
为了模拟这一点，研究中的钙钛矿太阳能电池经历了多个循环的极端温差：从零下150摄氏度到零上150摄氏度，并不断循环。郭向莉博士（当时是HZB的博士后，现在是中国东南大学的教授）研究了在这些循环中钙钛矿层内微观结构如何变化，以及与邻近层的相互作用在多大程度上受到温度循环的影响。
这些因素共同影响电池的性能。特别是，温度循环导致热应力，即在钙钛矿薄膜内部和不同相邻层之间的应力：“在钙钛矿太阳能电池中，性质截然不同的材料层需要完美接触；不幸的是，这些材料的热行为往往差异很大，”阿巴特解释道。例如，塑料在加热时倾向于收缩，而无机材料则倾向于膨胀。这意味着在每个循环中，层之间的接触变得更差。此外，还观察到局部相变和元素扩散到邻近层的现象。
基于此，研究团队提出了一种提高钙钛矿太阳能电池长期稳定性的策略。“热应力是关键，”阿巴特表示。因此，主要任务是使钙钛矿结构和相邻层更能抵御热应力，例如通过提高晶体质量，也可以通过使用合适的缓冲层。科学家强调了统一测试协议在评估温度循环下稳定性的重要性，并提出一种方法以促进不同研究之间的比较。
