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碳电极钙钛矿太阳能电池能源材料。

关键词： 碳电极，太阳能电池，钙钛矿。

应用领域

光伏发电领域

成果简介

有机无机杂化钙钛矿太阳能电池（PSCs）由于其不断提高的光电转换效率（PCE），近年来吸引了大量的研究者的兴趣。到目前为止，器件中最广泛使用的背电极是贵金属电极，如金和银。然而，除了其高昂的价格外，钙钛矿和金属电极间的离子迁移对器件造成的不可逆转的损害也是一个极大的缺陷。而碳基电极具有合适的功函数，良好的导电性以及出色的稳定性，可以作为PSCs的理想电极材料。 碳电极钙钛矿太阳能电池（CPSCs）主要有两种不同的结构：介孔结构和平面结构。介孔结构具有较厚的传输层骨架和较大的界面接触面积，有利于电荷在界面上的抽取和传输。然而，这种结构不可避免地需要高温烧结来蒸发溶剂和形成介孔骨架，限制了其在大面积柔性器件制备中的应用。而对于简单刮涂法制备得到的碳电极而言，钙钛矿和碳电极之间直接接触引起的淬灭对器件性能非常不利。基于以上原因，研究者希望获得基于平面结构，使用简单刮涂制得的碳电极高效率器件。而对于平面结构的器件，Spiro-OMeTAD是当前最为广泛使用的HTL材料，但其较差的载流子传输能力导致不可避免地需要额外使用掺杂剂，而常用掺杂剂的吸水性质会导致电池器件长期稳定性差。为了解决这个问题，研究者们使用导电聚合物掺杂碳纳米管、氧化镍和硫氰酸铜等作为器件中的HTL，已经获得了良好的性能。考虑到掺杂和成膜的不均匀性，极有必要为器件选择未掺杂的稳定HTL，以进一步发挥CPSCs的稳定性优势。 由于碳电极的传输性能不如金属电极，且由商业碳浆直接刮涂得到的碳电极在界面接触处存在严重的非辐射复合，加之为稳定性考虑而使用的无掺杂HTL的载流子迁移率明显低于掺杂的HTL，这些缺点都将导致界面处的载流子非辐射复合，严重降低器件性能。因此界面处的能带弯曲、能级匹配以及界面接触对界面处的电荷传输起着决定性的作用。同时，钙钛矿薄膜中存在的缺陷也容易成为电荷缺陷态，引起显著的载流子非辐射复合，影响器件性能及稳定性。因此，研究人员经常使用添加剂工程来减少缺陷并获得高质量的钙钛矿薄膜。总之，要获得优秀的器件性能，需要更快的界面载流子抽取和转移，以及更少的缺陷态。 在此项研究成果中，我们尝试使用强吸电子材料作为钙钛矿活性层的多功能添加剂，不仅起到了钝化缺陷和辅助成膜的作用，还能调节界面能级，以获得更有利的界面能带弯曲和能级匹配，同时由于其强大的电子吸取能力，与钙钛矿形成电荷转移复合物，加速了电荷转移和载流子输运。此外，使用有机传输材料修饰SnO2作为电子传输层（ETL），使用刮涂法以商业碳浆为原料制作电池背电极，以期获得更突出的器件性能。 研究表明该强吸电子材料作为钙钛矿层多功能添加剂，可以获得更好的薄膜质量、更低的陷阱态密度、更有利的能带弯曲和能级匹配、活性层内更快的载流子分离、抑制层内和界面的非辐射重组，以及改善界面处及层内载流子抽取和传输，从而获得了高性能的CPSCs器件。研究中对照组碳电极器件获得了0.88V的开路电压，22mA/cm2的短路电流，51.5%的填充因子和9.9%的PCE；而使用多功能添加剂的对照组碳电极器件则获得了1.07V的开路电压，22.2mA/cm2的短路电流，63.9%的填充因子和15.1%的PCE，并具有空气环境下更好的长期稳定性。其中，得到的开路电压1.07V在当前报道的CPSCs研究工作中属于较高的水平，解决了碳电极器件中非辐射复合严重，导致开路电压相对于金属电极器件损失过大的长期困扰。 本研究途径简单，器件制备步骤可重复性高。这也为重复性高、高效率、高稳定性的CPSCs的商业化器件制备指出了一条有前途的道路。

经济效益与社会效益

碳基电池在于其溶液加工，价格便宜且性能稳定性更优于金属电极金、银、铜等，碳基钙钛矿电池可用于多种交通工具及室外用品，如无人机，无人船，野外帐篷，屋顶等，也可以用于携带器件，柔性电池的推广及应用将产生巨大经济效益与社会效益。