Solar RRL:电极工程在钙钛矿光伏技术中的应用

有机无机杂化钙钛矿(ABX3型)太阳能电池由于其低成本和高效率等特点受到了学术界和工业界的广泛关注。大量的资源投入,使得钛矿太阳能电池的光电转化效率在短短几年时间内从3.8%攀升至22.1%。一般说来,一个完整的光伏器件包括基底底电极,电子传输层,吸光层,空穴传输层和顶电极。电极是构成完整器件不可或缺的组成部分,同时会显著影响电池的性能和寿命。研究显示,常用的金、银等贵金属电极会由于扩散作用与钙钛矿中的碘离子发生反应,导致电池材料的降解。此外,测算指出,现有电极材料成本占太阳能电池总物料成本的50%以上。因此,从电极工程的角度出发,对电极材料的选择、设计、加工、改性和整合进行全链条的开发和研究,寻找价格低廉、稳定性高的电极解决方案在学术和产业化方向都具有重要意义。

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近日,北京理工大学材料学院陈棋团队详细梳理了现今钙钛矿太阳能电池领域中与电极相关的研究进展,以全链条开发的思路加以归纳并撰写综述。按电极材料的种类分类,文章综述了金属电极、氧化物电极、碳材料电极以及复合电极在钙钛矿太阳能电池中的应用研究。在总结历年报道的最高效率的电池结构,作者首先分析了金成为高效率高稳定性器件“钟爱”的电极的原因:Au相比于其他金属电极的化学稳定性更高,不易于其他物质发生反应,从而更容易获得稳定的电池性能。但也有研究表明, Au原子在较高温度下(70 °C)会向钙钛矿层扩散,导致电池效率的衰减。Ag电极虽然存在AgI的生成导致器件性能降低的问题,但Ag纳米结构是一种性能良好的透明电极,并且易于与其他材料复合,在透明/半透明光电器件中具有优良的应用前景。除了常见的Au, Ag, Al电极外,也有人研究金属Ni和Cu作为顶电极的潜在可能性。这二者相比Au和Ag最大的优势在于其价格低廉。近两年的研究结果表明Cu作为电极时钙钛矿太阳能电池表现出极好的电池性能(>20%)和稳定性,因此有研究人员认为铜电极在钙钛矿太阳能电池的工业化应用中具有很大的竞争优势。

在金属氧化物电极方面,透明导电氧化物有近几十年的发展历史,早在上世纪90年代既有商业化产品上市,大多应用于平板显示领域。其中最著名的材料当属锡掺杂的氧化铟(In2O3:Sn4+, 简称ITO)和氟掺杂的氧化锡(SnO2:F, 简称FTO)。这二者也是最常用的钙钛矿太阳能电池底电极,源于二者优良的导电性和透光性能。ITO的导电性能一般比FTO稍高一些,但在高温下(大于300 °C)ITO的导电性能随温度升高而降低,而FTO在高温下仍然能维持较高的导电性。因此FTO常用于介孔型太阳能电池(因为介孔型电池制备过程中需要高温处理),而ITO在平面异质结型电池中最常见。

碳基材料电极有望实现更经济、更稳定的钙钛矿电极解决方案。文章进一步综述了包括石墨碳,碳纳米管,石墨烯等在内的碳基材料用作电极的研究进展。碳材料能满足太阳能电池所需的导电性要求,并且其最大的竞争优势在于其能极大程度削弱水、氧气、太阳光照等对钙钛矿层的影响,从而提高电池稳定性。此外,碳材料本身可以充当空穴传输层,无需额外的空穴传输层即可制备出较高效率的电池器件。并且可利用喷墨打印的方式制备碳电极,降低成本且易于大面积制备,在钙钛矿太阳能电池工业化应用方面具有特殊优势。

此外,作者探讨了电极修饰对钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性的影响并对该领域做了总结和展望。作者提出,目前很难简单地定论哪种电极材料是最优的,因为不同文献里报道的器件结构、制备方法各不相同,不能横向比较。然而碳材料在钙钛矿太阳能电池产业化中的前景值得期待。此外,作者呼吁对钙钛矿电池的降解机理做进一步深入研究,从而采取针对性措施提高其长期稳定性。

该论文在线发表于Solar RRL(DOI: 10.1002/solr.201700082)杂志上,第一作者为肖家文博士和石从波。