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《自然•通讯》刊发陈炜教授课题组实现钙钛矿电池高稳定性的金属电极策略

来源:武汉光电国家研究中心    作者:    发布时间:2019年03月15日    浏览:1168次

      2019年3月11日,《自然·通讯》(Nature Communications)在线发表了华中科技大学武汉光电国家研究中心陈炜教授课题组的最新研究成果《化学惰性的铋界面层提升反式钙钛矿太阳能电池的稳定性》(A chemically inert bismuth interlayer enhances long-term stability of inverted perovskite solar cells, Nature Communications, 2019, 10, 1161)。

       长期稳定性仍然是阻碍钙钛矿太阳能电池实现商业化的关键。

       影响稳定性的关键:

      (1)卤化物钙钛矿自身的分解或相变,例如有机组MA+FA+的热挥发,离子移动的累积带来的材料分解,与H2OO2的化学反应;

      (2)常用有机半导体界面材料的变性,例如热结晶或与H2OO2的化学反应;

      (3)常用金属电极材料与钙钛矿间的腐蚀反应,绝对致密的界面层具有阻隔作用,但仍然具有离子渗漏导致反应的隐患。需要强调的是,卤化物钙钛矿材料对几乎所有金属都具有强腐蚀性,文献中常见的Au,Ag,Cu,Al,Cr等电极材料都会与卤化物钙钛矿在一定老化条件下(光、热、偏压、气氛)发生不可逆的化学反应(作用)。随着电池器件老化时间的延长,被腐蚀的金属电极会穿过界面层,慢慢渗透到钙钛矿活性层的内部,对钙钛矿薄膜形成掺杂而导致深能级缺陷的产生,这是器件性能不可逆蜕化的一个重要路径。

      华中科大陈炜教授团队联合上海交大的韩礼元教授,报道了一种通过半金属铋界面层提高稳定性的简便略。

      铋界面层可以低温廉价的热蒸镀制备,在放大生产时,不会增加工艺制程的复杂性,也不会增加成本。这种半金属铋具有独特的抗卤素腐蚀的性能,研究证实铋可以与卤化物钙钛矿直接接触而不发生化学反应,这在元素周期表当中几乎是独一无二的。并且铋具有二维晶体结构,其低温蒸镀的薄膜以二维层状生长,晶界较少、形貌致密,在电池结构当中引入铋界面层,既可以防止钙钛矿外部水分的侵入,又可以保护金属电极免受钙钛矿碘蒸汽(离子)的腐蚀。

      基于铋界面的器件在受到湿度、热和光应力时,表现出极大改善的稳定性。未封装的器件在黑暗环境中保持其初始效率的88%超过6000 小时。在氮气氛围下,85℃暗态热老化和最大功率点持续光照老化500小时后,器件分别保持其初始效率的95%和97%。该工作是解决钙钛矿太阳能电池材料体系中金属电极不稳定性的一个重要进展。消除金属电极的不稳定隐患,对于逐步解决钙钛矿电池器件的整体稳定性问题具有重要意义。

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 ▲图1:金属与钙钛矿之间的化学反应。(a)MAPbI3/Bi,MAPbI3/Au, MAPbI3/Cu, MAPbI3/Ag 和MAPbI3等样品热老化前后Pb4f的XPS谱(b)化学反应路径示意图(c)不同金属对钙钛矿的内渗透机理示意图。

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▲ 图2:电池结构示意图与扫描电镜照片

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▲ 图3:未封装器件的长期稳定性。

(a)器件在大气环境暗态保持6000小时的稳定性;(b)N2手套箱中85摄氏度暗态老化500小时的稳定性;(c)N2手套箱中45摄氏度持续光照老化500小时的稳定性。

      该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目(51672094),国际合作项目(51861145404),优秀青年基金项目(51822203)和华中科技大学自主创新基金(2016JCTD111)等项目的资助。华中科技大学陈炜教授和上海交通大学韩礼元教授为论文共同通讯作者,华中科技大学吴绍航博士后、博士生陈锐、张沙沙博士后为论文共同一作。

      全文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-09167-0