碳電極鈣鈦礦太陽能電池

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碳電極鈣鈦礦太陽能電池能源材料。

關鍵詞： 碳電極，太陽能電池，鈣鈦礦。

目錄

應用領域

光伏發電領域

成果簡介

有機無機雜化鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）由於其不斷提高的光電轉換效率（PCE），近年來吸引了大量的研究者的興趣。到目前為止，器件中最廣泛使用的背電極是貴金屬電極，如金和銀。然而，除了其高昂的價格外，鈣鈦礦和金屬電極間的離子遷移對器件造成的不可逆轉的損害也是一個極大的缺陷。而碳基電極具有合適的功函數，良好的導電性以及出色的穩定性，可以作為PSCs的理想電極材料。 碳電極鈣鈦礦太陽能電池（CPSCs）主要有兩種不同的結構：介孔結構和平面結構。介孔結構具有較厚的傳輸層骨架和較大的界面接觸面積，有利於電荷在界面上的抽取和傳輸。然而，這種結構不可避免地需要高溫燒結來蒸發溶劑和形成介孔骨架，限制了其在大面積柔性器件製備中的應用。而對於簡單刮塗法製備得到的碳電極而言，鈣鈦礦和碳電極之間直接接觸引起的淬滅對器件性能非常不利。基於以上原因，研究者希望獲得基於平面結構，使用簡單刮塗製得的碳電極高效率器件。而對於平面結構的器件，Spiro-OMeTAD是當前最為廣泛使用的HTL材料，但其較差的載流子傳輸能力導致不可避免地需要額外使用摻雜劑，而常用摻雜劑的吸水性質會導致電池器件長期穩定性差。為了解決這個問題，研究者們使用導電聚合物摻雜碳納米管、氧化鎳和硫氰酸銅等作為器件中的HTL，已經獲得了良好的性能。考慮到摻雜和成膜的不均勻性，極有必要為器件選擇未摻雜的穩定HTL，以進一步發揮CPSCs的穩定性優勢。 由於碳電極的傳輸性能不如金屬電極，且由商業碳漿直接刮塗得到的碳電極在界面接觸處存在嚴重的非輻射複合，加之為穩定性考慮而使用的無摻雜HTL的載流子遷移率明顯低於摻雜的HTL，這些缺點都將導致界面處的載流子非輻射複合，嚴重降低器件性能。因此界面處的能帶彎曲、能級匹配以及界面接觸對界面處的電荷傳輸起着決定性的作用。同時，鈣鈦礦薄膜中存在的缺陷也容易成為電荷缺陷態，引起顯著的載流子非輻射複合，影響器件性能及穩定性。因此，研究人員經常使用添加劑工程來減少缺陷並獲得高質量的鈣鈦礦薄膜。總之，要獲得優秀的器件性能，需要更快的界面載流子抽取和轉移，以及更少的缺陷態。 在此項研究成果中，我們嘗試使用強吸電子材料作為鈣鈦礦活性層的多功能添加劑，不僅起到了鈍化缺陷和輔助成膜的作用，還能調節界面能級，以獲得更有利的界面能帶彎曲和能級匹配，同時由於其強大的電子吸取能力，與鈣鈦礦形成電荷轉移複合物，加速了電荷轉移和載流子輸運。此外，使用有機傳輸材料修飾SnO2作為電子傳輸層（ETL），使用刮塗法以商業碳漿為原料製作電池背電極，以期獲得更突出的器件性能。 研究表明該強吸電子材料作為鈣鈦礦層多功能添加劑，可以獲得更好的薄膜質量、更低的陷阱態密度、更有利的能帶彎曲和能級匹配、活性層內更快的載流子分離、抑制層內和界面的非輻射重組，以及改善界面處及層內載流子抽取和傳輸，從而獲得了高性能的CPSCs器件。研究中對照組碳電極器件獲得了0.88V的開路電壓，22mA/cm2的短路電流，51.5%的填充因子和9.9%的PCE；而使用多功能添加劑的對照組碳電極器件則獲得了1.07V的開路電壓，22.2mA/cm2的短路電流，63.9%的填充因子和15.1%的PCE，並具有空氣環境下更好的長期穩定性。其中，得到的開路電壓1.07V在當前報道的CPSCs研究工作中屬於較高的水平，解決了碳電極器件中非輻射複合嚴重，導致開路電壓相對於金屬電極器件損失過大的長期困擾。 本研究途徑簡單，器件製備步驟可重複性高。這也為重複性高、高效率、高穩定性的CPSCs的商業化器件製備指出了一條有前途的道路。

經濟效益與社會效益

碳基電池在於其溶液加工，價格便宜且性能穩定性更優於金屬電極金、銀、銅等，碳基鈣鈦礦電池可用於多種交通工具及室外用品，如無人機，無人船，野外帳篷，屋頂等，也可以用於攜帶器件，柔性電池的推廣及應用將產生巨大經濟效益與社會效益。