Nat Energy：加速老化测试与户外性能脱节！户外测试以确认失效机制——钙钛矿光伏商业之路关键挑战

金属卤化物钙钛矿太阳能电池已展现出优异的光电转换效率，但其商业化进程仍需验证其长期稳定性。在实际运行中，太阳能电池会同时受到可见光、紫外线、热应力、湿气、机械载荷和电场偏压等多重环境因素的复合作用，这导致其失效机理的分析极为复杂。现有的加速老化测试无法完全复现长期服役环境，对于钙钛矿光伏等新型材料体系而言，实验室测试条件与户外实际工况之间尚未建立明确的关联性。

本文美国国家可再生能源实验室Laura T. Schelhas等人提出应构建"稳定性研发闭环"，将光伏组件开发流程与三大核心环节深度耦合：通过户外实证测试验证实际性能并识别关键失效模式；开展针对性加速测试；实施预处理优化与性能提升工程。我们强烈建议通过户外实证检验真实环境性能表现，并呼吁学术界与工业界共同开发能反映器件亚稳态特性、材料体系差异及制备工艺多样性的加速认证测试方法。这些系统性工作虽然实施难度更高，但对于推动技术从实验室走向产业化应用，其战略价值远超单纯追求初始效率的提升。

金属卤化物钙钛矿材料自十年前首次被证实可作为光伏（PV）吸光材料以来，已引发广泛关注，其光电转换效率（PCE）值实现了飞速提升。这种关注不难理解，因为PCE是光伏领域一项重要且定义明确的评估指标，便于跟踪比较不同光伏技术的性能。然而，除效率外，耐久性对任何光伏技术的成功都至关重要（见方框1）。但与易于量化的效率不同，耐久性评估往往复杂且耗时。效率评估相对简便，加之快速进展往往伴随关注和资金支持，导致研究重心偏向效率而忽视耐久性。效率提升的研究成果易发表高影响力论文，既能展现研究进展、推动科研人员职业发展，又能吸引赞助方兴趣。相比之下，耐久性研究则往往好坏消息并存，这或许可以解释为何在金属卤化物钙钛矿光伏领域，研究降解机理的论文数量与研究效率的论文数量之比，远低于硅基光伏领域的相应比值。

耐久性研究的核心挑战在于：首先识别实际工况中最重要的降解机理，随后设计能快速诱发这些机理的测试方法。尽管钙钛矿光伏研究界近期已开始关注钙钛矿光伏组件的降解机理与耐久性测试，但此类研究的数量仍远少于效率研究。随着钙钛矿光伏技术商业化进程的推进，解决耐久性问题已成为整个研究界的关键任务，亟需科研人员投入更多精力。因此，通过现场测试和/或模拟实际工况的测试条件来研究和评估耐久性的研究工作，对于推动钙钛矿光伏技术成为应对气候挑战的重要解决方案至关重要。图1总结了钙钛矿光伏研究界应采用的耐久性研究学习闭环。

图1 耐久性学习周期示意图。

实地经验是主观综合评估光伏组件使用寿命的关键因素，其核心依据是组件通过的标准化测试，其中最具代表性的便是IEC 61215系列标准（2021年更新，首版发布于1993年）。通过长期可靠性测试积累的实证数据，特别是针对特定技术路线的验证记录，能够进一步增强对组件寿命和耐久性的信心。需要明确的是，这些测试本身并不能直接保证或预测实际使用寿命，但行业信心正是建立在海量实地应用数据的基础之上。图2展示了成熟光伏技术（主要是碲化镉和晶硅技术）每年累积的实地应用经验。正如产业学习曲线量化成本随时间下降的趋势，这条曲线也量化着新技术必须超越的累积实地经验门槛。截至2022年，全球光伏产业已积累超过5.2太瓦年（TWyr）的总实地应用经验，其中运行满十年的系统贡献了超过1.2太瓦年的经验值。这些宝贵的实地数据与组件在现有测试中的性能表现相互印证，共同构成了技术评估的重要基础。

图2 PV耐久性经验曲线。

目前，钙钛矿光伏技术的实地数据还十分有限，因此现有标准与钙钛矿光伏技术在实际应用中的表现之间的关联性也尚不明确。图3展示了光伏技术商业化加速器（PACT）中心迄今为止收集的所有单结钙钛矿光伏组件数据（钙钛矿叠层电池数据可参考文献4）。PACT中心是桑迪亚国家实验室和美国国家可再生能源实验室的联合项目，旨在通过监测学术界和产业界提供的原型微型组件的户外性能，并开发测试协议来评估这些新兴光伏技术的性能和耐久性，从而对这些技术进行中立评估。图3中的每个数据点都代表一个独立的钙钛矿光伏组件。数据点的水平位置显示了该组件日效率峰值（即一天内产生的电能与当天入射光能之比），垂直位置则显示了该组件的日效率降至峰值效率80%以下之前所持续的部署时间。数据点周围圆环的大小表示组件的面积。

图3 不同面积的器件达到日效率峰值80%所需的天数。

Repins等人的最新计算表明，某些钙钛矿光伏组件的降解模式无法通过现有认证测试充分加速，因此仅通过现有测试无法为行业采用该技术提供足够的信心。为应对这一挑战，钙钛矿光伏领域应优先开展实地测试，以识别实际应用中的失效模式并建立性能模型。一旦确定失效模式，就必须深入理解其背后的物理和化学机制。基于这些知识，可以开发针对这些失效模式且具有已知加速因子的测试方法。尽管已有少数研究开始计算特定降解机制和钙钛矿材料体系的加速因子，但在将这些基于特定条件下电池级测试获得的加速因子外推至完整封装组件的实际使用寿命时，必须谨慎行事。

除了确定具有已知加速因子的测试方法外，钙钛矿光伏领域还必须迅速积累实地测试经验。尽管实地测试无法立即达到图2所示的成熟技术经验水平，但它是识别实际应用中的失效模式并确保新开发的认证测试能够捕捉到这些失效模式所必需的。这一点尤为重要，因为许多能够通过基本室内测试的钙钛矿光伏组件，在实际户外使用中却会在不到一年的时间内失效。Baumann等人最近的一项综述全面概述了钙钛矿光伏组件可能出现的各类失效问题。Uličná等人则针对PACT中心测试的部分组件，总结了实际应用中观察到的降解模式。尽管有报道称，封装后的电池在户外使用一年甚至更长时间后仍能保持稳定，但如图3所示，PACT中心早期测试的大多数组件，包括来自知名大学和制造商的组件，都在一年内出现了失效。不过，近期已有组件在户外测试中持续运行超过一年，且效率仍保持在初始值的80%以上。

要实现钙钛矿光伏技术的产业化，需要能够稳定运行超过一年的组件，以便为认证测试提供“已知良好”的参考样本，并建立性能模型。性能模型通常基于短期的实验室或实地测试数据进行校准，例如IEC 61853-1和IEC 61853-2标准，并假设在测试期间不会发生性能衰减。通常假设性能衰减是线性的，并在计算未衰减性能后应用。如果钙钛矿光伏组件在测试期间发生性能衰减，则无法定义其性能模型。

如图1所示，光伏耐久性研究始于实地测试。在实地测试中观察到的失效模式必须在加速测试中复现。如果组件能够通过室内测试，但在短暂的实地测试中失效，则表明室内测试方法需要改进。理想的实地测试应包括对每个组件的最大功率点跟踪、持续监测每个组件的电压和电流，以及测量气象数据和组件表面温度。然而，最基础的实地测试仅需将组件放置在户外，并定期重复室内性能测试。组件必须包含多个相互连接的电池，因为许多降解路径会影响如划线或金属互连等互连系统。组件必须采用具有防风雨功能的封装，因为裸露的器件无法在户外环境中长期稳定运行。此外，封装材料应选择已证实能够适应户外环境的特定材料。如果使用未经实地测试验证的任意材料（例如环氧树脂封装材料），则可能导致封装失效，从而无法获得有关钙钛矿光伏降解的新信息。

开发能够预测钙钛矿光伏组件在户外环境下耐久性的测试方法，需要深入理解实际应用中的降解模式及其驱动因素。当前，钙钛矿光伏电池的常规室内测试方法与户外环境应力之间存在脱节。大多数室内测试在氮气环境中对裸电池进行，采用恒定辐照度和温度条件，或对封装器件进行测试，但封装材料的特性往往未被明确说明。相比之下，户外测试需面对动态变化的辐照度和温度条件，且要求电池或多电池组件必须经过封装以抵御湿气和氧化剂的侵蚀。封装工艺和材料会与钙钛矿光伏器件相互作用，进而影响其性能和耐久性。

现有的测试协议包括国际有机及杂化光伏稳定性峰会的共识文件（ISOS）中提出的测试方法。这些协议旨在提高不同实验室间测试结果的一致性，侧重于以可控且可重复的方式对实验室电池样品进行降解研究并规范报告流程。ISOS测试不包含合格/不合格评估，也并非用于工业界对特定组件设计进行“认证”。相反，该协议提供了一套测试方案，用于评估钙钛矿光伏电池在多种应力条件下的耐久性，包括黑暗存储（ISOS-D）、电压偏置（ISOS-V）、光致老化（ISOS-L）、户外暴露（ISOS-O）、热循环（ISOS-T）、光循环（ISOS-LC）以及光热循环（ISOS-LT）等，且通常测试至失效。ISOS还根据实验室能力设置了三个测试复杂度等级。简言之，ISOS提供的是测试建议，而非全面或完整的标准。

相比之下，针对商业化光伏组件技术的IEC模块认证及扩展测试标准（如IEC 61215、IEC TS 63209和IEC 61730）则专门设计用于筛选该技术在户外暴露测试中已观察到的明确降解模式，并包含明确的测试要求。认证测试定义了合格/不合格标准，供工业界用于质量控制，而非作为预测长期性能的“时光机”。IEC 61215并非市场准入门槛，而是最低性能门槛。IEC TS 63209系列等扩展强化测试正被越来越多地采用，以增强对技术的信心。由于钙钛矿光伏电池和组件技术尚处于早期阶段，材料体系和器件结构多样，目前尚无法就认证标准达成一致。然而，随着对户外降解机制的深入理解，研究界应朝着这一方向推进。

好消息是，IEC标准中概述的部分模块质量测试（MQT）可能对钙钛矿光伏组件施加具有实际应用相关性的应力。然而，这些测试必须通过与户外失效案例的对比验证，以证明其有效性（图1蓝色箭头）。用于验证这些测试的实地测试、加速测试和失效分析可揭示组件的薄弱环节，从而形成组件改进循环（图1橙色箭头）。但更为关键的是，需识别当前标准中未涵盖的应力条件，因为这些条件可能超出标准设计时的技术范畴（例如，光热协同作用）。此外，还需评估失效模式是否对不同钙钛矿光伏技术体系间的材料组成和工艺差异敏感。通过对多种材料体系采用一致的测试条件进行研究，有助于积累必要数据，以更好地理解这一广阔的技术领域。

组件层面的测试应优先于单电池测试，以全面探索可能不存在于小面积单电池中的组件级降解路径。例如，薄膜组件的互连通常通过划线实现，这可能导致不同器件层在此配置下相互接触，从而引入新的电化学降解路径。组件封装材料也可能引发化学相容性问题，因为与器件堆叠直接接触的封装聚合物材料除基材外，通常还含有多种添加剂。对于大面积器件而言，工艺不均匀性预计将更为显著，尽管小面积器件也可能存在此类问题，但在探索大面积器件时，针孔和分流等缺陷可能更为明显。

目前，越来越多的早期研究达成共识，即室内光热协同暴露测试可复现实际应用中的一种降解模式。这与硅基电池特有的光热诱导降解（LETID）不同，后者已有针对其的特定测试标准（如IEC 63202-1和IEC TS 63342）。对于钙钛矿光伏器件，光热测试的具体条件（如温度或持续时间）必须通过与户外失效案例的对比验证，并需考虑下文所述的亚稳性问题。为更好地定义这些测试条件，相关研究至少应遵循ISOS-LT协议。然而，现行协议规定的最高测试温度为65°C，低于许多户外环境下组件的实际温度，因此有必要开展高达75–95°C的高温测试。

随着户外测试数据的不断积累，预计将发现更多可通过室内加速测试进行筛选的降解模式。一旦钙钛矿光伏组件接近商业化阶段，并积累起充分的实地性能测试数据，就必须准备好新的认证标准。

钙钛矿光伏器件、组件及电池的性能可能因其暴露历史而发生可逆变化，这进一步增加了耐久性研究的复杂性。在光伏领域，这种现象通常被称为亚稳性，碲化镉、铜铟镓硒乃至硅异质结组件等其他技术也存在此类现象。通过预处理程序，可在功率测量过程中对亚稳性进行管理。钙钛矿光伏组件还表现出电流-电压（I-V）曲线的滞后现象。尽管其他薄膜技术也存在滞后现象，但在钙钛矿光伏器件中，这种滞后现象往往极为严重，以至于传统的I-V扫描技术会得出误导性结果。虽然这些I-V曲线可用于详细研究器件行为，但对于最终应用而言，更重要的是关注器件在实际运行条件下的行为。为了评估实地性能和耐久性，我们建议采用基于最大功率点跟踪确定的功率指标，而非I-V曲线。

对于不存在亚稳性的光伏技术，在忽略降解的情况下，每种温度和光照条件实际上都对应一个确定的效率值。测量程序和研究人员的直觉往往将这一假设应用于钙钛矿光伏器件，导致对于“效率”的困惑，因为即使在同一条件下，钙钛矿光伏器件也不存在一个唯一的确定效率值。

与其他具有亚稳性的光伏技术一样，钙钛矿光伏器件的效率不仅取决于环境条件，还取决于其近期的暴露历史。与其他技术相比，钙钛矿光伏器件的这种依赖性更强，因此需要采用多种方法来测定效率。研究界必须明确说明使用的是哪种效率测定方法。我们将大多数效率测定方法分为“校准”、“变化”和“标称”三类。校准效率测量是“具有明确不确定度的可追溯测量，通常在标准测试条件下进行”。在变化测量中，效率是在户外暴露或加速测试前后进行比较的。标称效率测定则是测量与计算相结合，用于估算组件在户外条件下的效率。这些效率测量方法通常都是在标准测试条件（STC）下进行的，即辐照度为1000 W/m²，光谱为AM1.5，器件温度为25℃。但这些方法也可应用于其他条件，例如表征低辐照度或高温下的性能。此外，还有一些临时方法用于确定效率，这些方法通常在研发过程中内部使用，整个研究界可能无需就使用相同的术语和做法达成一致。

校准效率测量提供了制造商用于校准参考电池和控制模块的可追溯、高精度的测量数据。校准测量也是标准测试条件下效率世界纪录的基础。迄今为止，大多数钙钛矿光伏学术研究都旨在通过这种方式提高标准测试条件下的效率。校准测量仅针对少数样品进行，因此可以耗时且成本高昂。它们也可以表征器件的临时状态，包括器件在户外无法达到的状态。仅凭校准测量本身无法评估耐久性或实地性能。校准测量与其他步骤相结合，可以成为效率变化测量或标称效率测定的组成部分。

效率变化测量量化的是效率发生了多少永久性变化，而忽略了户外暴露或加速测试期间引入的临时变化。变化测量用于耐久性研究和商业加速测试，因此必须在时间、成本和复杂性方面进行合理的约束，并且必须具有高度的可重复性。由于变化测量近似于户外发电能力的变化，因此必须在测量效率之前增加一个“预处理”步骤，使器件达到其在户外可能达到的状态。预处理与性能测量的这种组合在图1中标记为“P+P”。

针对各种技术的IEC 61215（MQT 19）标准中包含了P+P协议，但钙钛矿光伏器件除外。现有的协议是针对那些在夜间或户外短暂黑暗期间模块亚稳态不会发生显著变化的技术而制定的。然而，对于钙钛矿光伏器件而言，这一假设并不成立，电池和组件的研究均已证明了这一点。例如，钙钛矿光伏组件的效率可能在一天之内发生变化，并在夜间恢复。由于缺乏针对钙钛矿光伏器件的既定预处理协议，因此无法准确解读加速应力测试的结果。

效率变化测量是诸如IEC 61215等认证测试的基石。这些认证测试是光伏技术进入市场生产大宗电力的最低要求。它们确立了某种光伏组件适用于长期户外使用。因此，适用于钙钛矿光伏产品的P+P协议是认证和商业化的先决条件。

合适的预处理程序的开发不得针对特定的电池、机理、配方或结构。它必须能够适应变化，并广泛适用于所有产品，甚至包括那些尚未生产的产品。实现这一目标的黄金标准是暴露于具有代表性且可重复的户外光照和温度条件。定义变化稳定的时间尺度也很重要。作为起点，PACT根据以往的技术经验，为预处理程序提供了一个最佳初步猜测；但还需要进一步的工作来验证这种方法对钙钛矿光伏组件的有效性。在认证测试（IEC 61215）的背景下，研究界已经确定了一个相关的时间尺度。尽管稳定标准是针对特定技术的，但允许达到稳定标准的最快变化率是每10千瓦时/平方米的日照量功率输出变化1%。

标称效率测定通常在生产线上进行，但也可用于研发。对每个组件的效率进行测量，使制造商能够正确分档和标记功率等级，并为生产工艺提供反馈。标称效率或标称功率会出现在每个批量生产的光伏组件的数据表和铭牌上。由于标称效率与特定电厂设计的发电量大致成正比，因此客户会使用标称功率来选择产品。光伏组件按瓦特销售，因此确定标称效率至关重要。

确定标称效率必须非常快速、边际成本非常低，并且能够大致预测实地发电量。在传统技术的光伏生产线上，使用脉冲式太阳模拟器的快速测量来确定标称效率。由于钙钛矿光伏器件存在亚稳性和滞后现象，同样的脉冲式测量技术可能会产生误导性结果。制造商将需要快速的方法来测量钙钛矿光伏组件生产线上的标称效率。

标称效率不一定是效率测量的直接结果。刚制造出来的电池和组件可能处于不代表其在实际运行中通常状态的状态。但是，像效率变化测量那样对每个电池或组件进行充分的预处理可能并不现实。因此，测量的结果，包括非常规测量的结果，都可以根据经验、模型或统计数据进行调整，以得出标称效率。这些调整是针对特定产品的，需要由制造商来制定。在认证测试（IEC 61215）中，在进行任何加速测试之前，每个组件都会进行预处理，并测量其标准测试条件下的效率，作为效率变化测量的第一部分。作为测试“第一关”的一部分，该标准测试条件下功率测量的结果必须与组件标签上标注的标称功率相匹配。

与其他技术一样，光伏研究界必须开发稳健的方法来表征受亚稳性影响的钙钛矿光伏器件。这除了包括测量前的预处理程序外，还包括功率测量本身。从业者需要明确说明他们进行的是校准测量、变化测量还是标称效率测定，并应用适合其应用的协议，这一点非常重要。

工艺和配方差异
如上所述，钙钛矿光伏组件涵盖了广泛的器件类型，这些器件具有不同的材料组成和带隙，并且可以采用多种方法沉积，例如溶液加工、气相沉积或混合方法。这对于基于钙钛矿的光伏技术来说是一个独特的挑战，因为在如此广泛的范围内，很难对耐久性得出普遍适用的结论。我们已经概述了几个需要注意的研究领域，但在收集到更多数据之前，解决方案的广泛适用性将不得而知。研究界将受益于采用一致的户外实地测试和室内加速测试方法，以便对不同的材料组成进行比较。

尽管复杂性和难度有所增加，但实地测试对于筛选新的和正在出现的降解模式和机理至关重要。随着钙钛矿光伏技术的不断成熟，新的材料组成、中间层和制造方法将不断涌现。每一次变化都可能引入新的降解路径。新的降解路径可能需要新的测试协议来评估和筛选与实地应用相关的失效模式。耐久性测试是一个不断发展的领域，即使对于商业技术也是如此。

展望

在钙钛矿光伏技术领域，耐久性问题亟待解决，否则该技术将永远只是另一种“潜力股”技术，而无法成为实际应用的产品。具体而言，我们建议采取以下方法（如图1所示），以加强有针对性的努力，从而量化和提升耐久性。

采用可复制的工艺制造原型组件（组件原型设计）。尽早将组件置于户外并监测其性能（实地测试），以便观察其长期户外服役表现。

将组件置于特定失效机理的环境中（加速测试）。如果尚未了解特定的失效机理，则可以进行一些推测。

在户外暴露和加速测试暴露前后，进行严格控制的室内测量，包括建立可重复状态的预处理步骤（P+P）。将实地测试结果与室内P+P结果进行比较，并更新P+P程序，以便室内测试能够准确量化永久性变化（P+P工程）。

当组件在实地测试和加速测试中失效时，不要丢弃它们。对它们进行表征以确定失效原因（失效分析）。根据失效分析结果，有意地对新组件的材料、设计或制造工艺进行改进，以减缓或消除失效（组件工程）。根据实地失效与加速测试结果之间的比较，更新加速测试（测试工程）。

尽管与现有光伏技术5太瓦年的经验相比可能存在困难，但新技术仍有机会。金属卤化物钙钛矿光伏技术需要全球公司、学术界和其他机构研究人员共同开展协作研究，以应对这一挑战。优先开展耐久性研究，并在整个研究界找到分享关键经验和信息的有效途径，将确保该技术的快速进步和部署。

Silverman, T.J., Deceglie, M.G., Repins, I. et al. Durability research is pivotal for perovskite photovoltaics. Nat Energy (2025).

https://doi.org/10.1038/s41560-025-01786-w

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