浅析有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池稳定性的研究

陈健¹，缪卫峰¹，王吉林^1,2，郑国源¹，龙飞^1,2

1. 桂林理工大学材料科学与工程学院有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室2. 桂林理工大学广西有色金属隐伏矿床勘查及材料开发协同创新中心

摘 要：有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池近几年来发展迅速,其器件认证光电转效率已达22.1%。同时,这类电池具有成本低廉、能量回收期短等优势,有望实现商业化应用。然而,钙钛矿吸光层本身在湿度较大、温度较高及光照等条件下不稳定,并且与其他功能层组装成器件时易引发电极腐蚀、深缺陷态等问题,使得器件不稳定性加剧。越来越多的文献报道了提升器件稳定性的方法,主要集中在:（1）从成分优化方面提升钙钛矿吸光层的稳定性;（2）从器件结构优化方面提升器件的稳定性。在成分优化方面,科研者们主要从钙钛矿ABX₃结构成分、结构维度和保护层的使用等角度提升钙钛矿材料的稳定性。（1）在满足容差因子t或八面体因子μ的条件下,将甲脒离子、铯离子等疏水或耐热基团引入ABX₃结构的A位中,而X位掺入溴离子或硫氰根离子能提升钙钛矿材料的抗湿性,或者整合单一位置优势得到混合位Cs_x(MA_0.17FA_0.83)_100-xPb(I_0.83Br_0.17)₃不仅能提升材料的热稳定性,而且可使器件的转换效率提高至21.1%。（2）较低结构维度（主要为二维）钙钛矿材料的研究也获得了一定的进展,例如制得的BA_0.05(FA_0.83Cs_0.17)_0.95Pb(I_0.8Br_0.2)₃材料的湿度和光照稳定性优异。（3）疏水性能好、电荷传输能力优异的保护层如丁基膦酸4-氯化铵或苄胺等同样可增强钙钛矿吸光层的稳定性。在器件结构优化方面,研究者们分别从电子传输材料（如二氧化锡、镧掺杂锡酸钡等）、空穴传输材料（如CuGaO₂、酞菁铜等）和上电极（碳、铜等）等角度提升器件的稳定性。其中,（1）紫外光催化活性差、电子迁移率优异、能带结构适宜的镧掺杂锡酸钡组成的器件展现了优异的光照稳定性。（2）由化学和热稳定性优异的酞菁铜组成的器件也获得了良好的热稳定性和17.5%的转换效率。（3）优化上电极方面,将碳电极应用到大面积器件上时,器件呈现了良好的湿度和光照稳定性;而铜电极替换金或银电极时,器件的光电转换效率同样超过20%,并且其热和光照稳定性良好。本文主要从钙钛矿吸光层材料成分和器件结构两大角度梳理了关于提升器件稳定性的研究现状,分别对钙钛矿吸光层ABX₃的组分、钙钛矿材料的结构维度、其他功能层等优化方面提升器件稳定性的工作进行了综述。最后,结合现有的研究成果展望了有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池的发展趋势。

关键词：有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池;稳定性;成分优化;器件优化;