钙钛矿太阳能电池的热稳定性瓶颈:银电极诱导下的离子扩散

太阳能作为取之不尽用之不竭的可再生能源,一直以来被视为解决环境和能源问题的重要资源。以甲胺铅碘(MAPbI3)为代表的有机无机杂化钙钛矿材料,以其吸收系数高,本征缺陷少,制备成本低等优点,在太阳能电池领域作为吸光材料被人们广泛关注。然而,对于商业化需求,钙钛矿太阳能电池仍然需要面对一个重要的性能指标——稳定性。其中,热不稳定一直是器件稳定性的瓶颈问题。目前而言,薄膜太阳能电池的行业标准中85摄氏度条件下工作1000小时的指标,对于大部分报道的钙钛矿太阳能电池而言,都是一个难以达到的热稳定性标准。因此,研究钙钛矿太阳能电池在高温下的衰退机制十分重要,这不仅能加深理解器件的内在稳定性影响因素,更能为改善器件热稳定性提供指导思路。

AENM-wangliduo

近期,清华大学王立铎课题组系统深入的研究了倒置结构钙钛矿太阳能电池的热稳定性,并提供直接证据证明高温下银电极诱导离子扩散导致器件衰退的机制。飞行时间-二次离子质谱结果表明,在高温条件下,钙钛矿薄膜中的碘离子和甲胺离子通过电子传输层(PCBM)扩散至银电极表面并富集。电极界面内碘化银的形成,为进一步的碘离子扩散提供了驱动力,导致钙钛矿层的加剧分解。离子脱离的过程主要发生在钙钛矿晶界,在晶粒内部的离子迁移作用下,薄膜中晶界重构并伴随“熔融”现象。大量的离子缺失导致晶界处形成很厚的碘化铅间隙,从而阻碍载流子的扩散与传递。

该工作为钙钛矿太阳能电池热稳定性研究提供了重要的实验证据,也为提高钙钛矿器件热稳定性提供了理论指导。根据电极诱导离子扩散机制的产生过程,改善钙钛矿器件热稳定性可以针对不同的研究方向,如提高钙钛矿自身的结构稳定性,避免高温下的离子脱离分解;更换惰性电极,抑制其与卤素离子的反应过程;使用能够阻隔离子迁移的电子空穴传输材料,或者增加阻隔层。这些指导思想在目前提升器件热稳定性的研究工作中都有所体现,未来仍有重要的指导意义和深入研究的价值。相关工作发表于Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201602922)上。