碳電極CsPbI2Br鈣鈦礦太陽能電池

2021-02-15 鈣鈦礦太陽能電池

        有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池由飆升的光電轉化效率吸引了廣泛的關注。到目前為止，鈣鈦礦太陽能電池的認證效率已經超過25%，可以與多晶矽相媲美。儘管如此，對於鈣鈦礦太陽能電池產業化，產業界更關心鈣鈦礦太陽能電池在實際運行情況下的穩定性。有機無機雜化鈣鈦礦不穩定主要是鉛碘八面體與陽離子之間的弱氫鍵導致的。因此在高溫與光照等外部應力的情況下，有機陽離子丟失，有機無機鈣鈦礦則降解為碘化鉛。採用銫取代陽離子則形成全無機鈣鈦礦。全無機鈣鈦礦相對於有機-無機雜化鈣鈦礦具有更好的熱穩定性與光穩定性。CsPbI2Br是一種相對穩定且高效的吸光材料，其帶隙為1.90eV。一系列出色的工作例如溶劑工程與摻雜用於提高CsPbI2Br鈣鈦礦太陽能電池的光電轉化效率。基於Cs0.99Rb0.01PbI2Br材料的全無機鈣鈦礦太陽能電池獲取高達17.16%的光電轉化效率（使用有機HTM）。

       但是， CsPbI2Br鈣鈦礦產業還有幾個問題亟需解決：使用貴金屬做電極與及使用有機空穴傳輸材料極大的提高了鈣鈦礦太陽能電池的製備成本，而且貴金屬電極與摻雜的有機空穴傳輸材料在運行的過程中不穩定。事實證明，不可避免的金屬遷移與空穴傳輸材料中的離子遷移會造成電池光電轉化效率的嚴重衰減。導電碳材料（石墨烯和炭黑）經常用於低成本的染料敏化太陽能電池與鈣鈦礦太陽能電池的電極。

      碳電極的優點是可以通過絲網印刷，刮塗等簡單的製備工藝製備。極大的簡化了鈣鈦礦太陽能電池的製備工藝。此外，碳電極對於大規模生產來說足夠便宜。目前碳電極CsPbI2Br鈣鈦礦太陽能電池的最高效率為12.19%。碳材料相對於鈣鈦礦來說很穩定。因此碳電極CsPbI2Br鈣鈦礦太陽能電池認為是可長期穩定運行的器件。

      2020年7月13日中科院上海矽酸鹽所楊松旺團隊於 ACS Applied Materials & Interfaces 刊發碳電極CsPbI2Br鈣鈦礦太陽能電池的研究成果。 由於炭黑中間層引入碳電極無空穴CsPbI2Br鈣鈦礦太陽能電池，減少了碳電極與鈣鈦礦之間的能級失配，增大接觸，最後獲得12.4%的光電轉化效率。填充因子達72.99%。進一步研究表明炭黑納米粒子可以從碳電極擴散到鈣鈦礦層，因此在85℃持續加熱可進一步提升器件光電轉化效率。最後，形成炭黑-CsPbI2Br體相異質結，器件效率進一步提升到13.13%。

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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c08006

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