提高太陽能電池穩(wěn)定性

有機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦材料在潮濕環(huán)境和光照條件下穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生分解而造成電池效率下降甚至失效，因此除不斷提升轉(zhuǎn)換效率外，目前很多研究也致力于提高太陽能電池的穩(wěn)定性。鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性受到溫度、濕度等多種環(huán)境因素的制約。改善鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性有兩種思路：一種是提高鈣鈦礦材料本身的穩(wěn)定性，另一種是尋找合適的傳輸層材料使電池與環(huán)境隔絕，抑制鈣鈦礦材料的分解。

在前一種方法中，Smith等人以一種二維混合鈣鈦礦材料(PEA)2(MA)2[Pb3I10](PEA=C6H5(CH2)2NH3+，MA=CH3NH3+)作為吸收材料(結(jié)構(gòu)如圖4所示)，該結(jié)構(gòu)可通過旋涂沉積形成且無需高溫退火。和普通三維鈣鈦礦材料(MA)[PbI3]相比，二維鈣鈦礦電池在室溫潮濕環(huán)境下放置46天而不引起性能的明顯下降，具有很好的穩(wěn)定性。但目前可以替代ABX3中各組分的原子/原子團(tuán)的選擇很有限，相關(guān)研究報(bào)道也比較少。近年來更多的研究集中在后者，即尋找合適的傳輸層材料。

(a)兩種晶體結(jié)構(gòu)示意圖，其中A和B分別為三維材料(MA)[PbI3]和二維材料(PEA)2(MA)2[Pb3I10]的結(jié)構(gòu);

(b)不同薄膜在潮濕環(huán)境下經(jīng)過相同時(shí)間后XRD譜，其中1，2a，2b分別為二維材料薄膜、旋涂質(zhì)量較差的三維材料薄膜和旋涂質(zhì)量較好的三維材料薄膜在第二種方法中，研究者致力于尋找更好的空穴傳輸材料來提高鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性。好的空穴傳輸材料能使激子具有更長的壽命和量子產(chǎn)率，延長電池的使用壽命。鈣鈦礦電池中通常使用的空穴傳輸材料為p型摻雜的spiro-OmetaD。通過改變空穴傳輸材料來提高材料穩(wěn)定性的思路有兩類：第一類是用其他材料來替換原有的空穴材料;另一類是向該空穴材料中加入添加劑或者替換原有的p型添加劑.兩類方法提高穩(wěn)定性的效果如圖5所示。

提高太陽能電池穩(wěn)定性

(a)使用四硫富瓦烯衍生物(TTF-1)和環(huán)二芴(spiro-OmetaD)作為空穴傳輸材料的兩種電池的穩(wěn)定性對比;

(b)添加PDPPDBTE電池與原材料電池的穩(wěn)定性對比;

(c)采用不同的摻雜劑后電池的穩(wěn)定性;

(d)不同XTHSI在3個(gè)月后的電池效率變化(其中X代表金屬元素(如Li，Co，Ir)，THIS代表二(酰基三氟甲烷)酰亞胺)。

在第二類方法中，p型添加劑的引入可提高載流子濃度，進(jìn)而減少串聯(lián)電阻及界面處的電荷傳輸阻抗.目前效果較理想的摻雜劑是LiTFSI(鋰基二(酰基三氟甲烷)酰亞胺)。但在含氧環(huán)境中，氧氣會消耗空穴傳輸層和TiO2表面的鋰離子，使光電流降低、電阻升高，降低電池的穩(wěn)定性，因此尋找更好的添加劑不僅可以起到提高效率的效果，還可以進(jìn)一步提高穩(wěn)定性.利用其他元素來替換金屬Li是目前研究的熱點(diǎn)之一。

實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池的環(huán)境友好化

由于含鉛材料對環(huán)境的不友好性，研究者們在努力實(shí)現(xiàn)無鉛化，但相應(yīng)會帶來電池轉(zhuǎn)換效率的降低.最直接的方法是利用同族元素(如Sn)來代替Pb元素。在MAXI3材料中，CH3NH3SnI3的能隙僅為1.3eV，遠(yuǎn)低于CH3NH3PbI3的1.55eV，可以使吸收光譜發(fā)生紅移。采用CsSnI3作為光吸收材料，并加入SnF2作為添加劑也以減少缺陷密度，提高載流子濃度，進(jìn)而提高電池效率。這兩種替代的吸收材料的吸收光譜發(fā)生明顯紅移，可以吸收更寬波段的入射光。

從解決環(huán)境污染但又不犧牲電池轉(zhuǎn)換效率的角度出發(fā)，Chen等人提出了另一種思路，即回收汽車電池來提供鉛源。由于汽車電池中的鉛源具有相同的材料特性(如晶體結(jié)構(gòu)、形貌、吸光性和光致發(fā)電性能)和光電性能，既提供了鈣鈦礦材料制備所需的鉛源，又解決了廢舊含鉛電池?zé)o法妥善處理的問題，因此具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

結(jié)論

鈣鈦礦太陽能電池也存在一些亟需突破的問題。首先，人們大多專注于從不同的角度改進(jìn)材料和制備方法來提高電池的轉(zhuǎn)換效率，但始終沒有建立起完備的理論模型來解釋電池轉(zhuǎn)換效率提高的原因，難以得到一個(gè)準(zhǔn)確可靠的轉(zhuǎn)換效率的理論上限.其次，如何兼顧提高穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率是目前的一個(gè)難點(diǎn)。鈣鈦礦太陽能電池對水蒸氣和氧氣非常敏感，盡管目前已經(jīng)出現(xiàn)穩(wěn)定性長達(dá)4個(gè)月的電池，但效率僅有12%，相比傳統(tǒng)晶硅電池(壽命可達(dá)25年)，依然有較大差距。再次，如何實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池的大面積連續(xù)制備也是現(xiàn)在面臨的一個(gè)重要問題。在實(shí)驗(yàn)室所制得的器件的尺寸僅有幾厘米大小，與滿足產(chǎn)業(yè)化需求還有距離。最后，如何避免使用鉛等對環(huán)境不友好的重金屬同時(shí)兼顧高的轉(zhuǎn)換效率也是目前面臨的重大挑戰(zhàn)。目前用其他元素替換鉛通常要以降低電池效率為代價(jià)，尋找更合理的方式解決含鉛帶來的環(huán)境問題，使鈣鈦礦太陽能電池可回收、可再生，對實(shí)際產(chǎn)業(yè)化同樣重要.基于此，通過改善鈣鈦礦層與其他傳導(dǎo)層間的界面性能，尋找更高效的電子/空穴傳輸材料，電池轉(zhuǎn)換效率仍有非常大的提升空間，同時(shí)也可以使太陽能電池的穩(wěn)定性得到改善。實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦材料的無鉛化，也成為鈣鈦礦太陽能電池最終能否被公眾接受、實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。