黃維院士&秦天石AFM綜述：面向大面積鈣鈦礦電池的材料的進展、挑戰和策略

【引言】

金屬鹵化物鈣鈦礦太陽電池作為最優前景的第三代光伏技術，最近得到了科學界和工業界的廣泛關注。迄今為止，小面積PSC的功率轉換效率已超過23％，接近商用硅光伏電池。但是大多數經過認證或報道的高效鈣鈦礦光伏器件（PCE>20%），其有效面積較小，一般在0.03～0.1cm²左右。隨著器件有效面積的擴大，器件效率呈明顯的下降趨勢，這制約了鈣鈦礦光伏器件的工業化進程。器件有效面積擴大導致的效率和穩定性問題迫切需要關注和解決。

【成果簡介】

近日，南京工業大學（先進材料研究院）黃維院士、秦天石教授團隊在Advanced Functional Materials雜志上發表了題為“Materials toward the Up-scaling of Perovskite Solar Cells: Progress, Challenges and Strategies”的綜述性文章，第一作者為王芳芳副教授。在這篇綜述中，作者首先介紹了鈣鈦礦光伏器件和組件的結構，然后從各個功能層材料的角度詳細探討了近年來大面積鈣鈦礦光伏器件的研究進展、目前的問題和解決策略，包括鈣鈦礦材料，空穴傳輸材料，電子傳輸材料和電極材料。此外還分析了影響鈣鈦礦光伏器件穩定性的幾點關鍵因素。最后對大面積鈣鈦礦光伏器件的發展和策略進行了總結和展望。文中關于大面積鈣鈦礦電池產業化方面得到了合作單位京東方科技集團李新國、吳曉博士的建議。該論文作者為Fangfang Wang, Yezhou Cao, Cheng Chen, Qing Chen, Xiao Wu, Xinguo Li, Tianshi Qin,*and Wei Huang*

【圖文導讀】

1.背景介紹

金屬鹵化物鈣鈦礦太陽電池作為最優前景的第三代光伏技術，最近得到了科學界和工業界的廣泛關注。迄今為止，小面積PSC的功率轉換效率已超過23％，接近商用硅光伏電池。但是大多數經過認證或報道的高效鈣鈦礦光伏器件（PCE>20%），其有效面積較小，一般在0.03～0.1cm²左右。隨著器件有效面積的擴大，器件效率呈明顯的下降趨勢，這制約了鈣鈦礦光伏器件的工業化進程。器件有效面積擴大導致的效率和穩定性問題迫切需要關注和解決。為了實現未來的商業應用，必須解決大面積鈣鈦礦光伏器件中涉及的效率，穩定性，材料成本和制造技術等問題，這需要科學家和研究人員不斷嘗試和探索適合制造大面積器件的各功能層材料。

2.鈣鈦礦太陽電池的器件結構

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?3.鈣鈦礦活性層材料

在本章中，作者以鈣鈦礦的晶胞結構ABX₃為主體，通過改變不同X位的陰離子，A位陽離子，從材料的角度出發，介紹了組成不同的鈣鈦礦材料和不同的工藝制備方法來獲得大面積鈣鈦礦薄膜的進展趨勢、問題以及策略。作者認為應進一步開發新工藝制備方法，以獲得大面積和高質量的鈣鈦礦薄膜。盡管混合離子的三維鈣鈦礦表現出非常優異的器件性能，但環境穩定性仍然是其商業化的障礙。與三維鈣鈦礦器件相比，2D/3D鈣鈦礦光伏器件具有優異的穩定性和耐水性,非常有希望實現高效和穩定的商業化光伏器件，因此應該給予高度重視。

4.空穴傳輸材料

目前報道的用于大面積制備鈣鈦礦光伏器件的空穴傳輸材料較少，應用較多的主要是Spiro-OMeTAD，然而該材料并不適用于大面積器件制備，主要是由于其合成成本高，空穴遷移率低，需要使用易吸水的摻雜劑等。因此面向大規模制備鈣鈦礦光伏器件的空穴傳輸材料除了要具有基本要求，如高空穴遷移率，與鈣鈦礦精確匹配的能級，良好的溶解性，高熱穩定性和光化學穩定性以及高疏水性，還應該具有以下關鍵優勢，例如高效率，非摻雜和低成本。在本章節，作者詳細介紹了具有大面積器件制備前景的空穴傳輸材料以及未來材料設計的發展方向。內容涵蓋不同結構的高效率、低成本的小分子HTMs、不同結構的高效率、非摻雜的聚合物HTMs，高效有機金屬HTMs和成本低廉、空穴遷移率高的無機HTMs。

5.電子傳輸材料：

目前對于大面積n-i-p型鈣鈦礦光伏器件來說，無機金屬氧化物電子傳輸材料是最常用的，作者認為應進一步開發可大面積制備電子傳輸材料的低溫處理技術。對于反式p-i-n型鈣鈦礦光伏器件，最常用的電子傳輸材料是富勒烯C60及其衍生物PCBM，但是其具有與環境穩定的金屬電極不匹配的功函數的問題，作者認為開發非富勒烯衍生物迫在眉睫。

6.電極材料

金屬納米線電極、金屬網絡電極和碳基電極在制造大規模PSC方面具有很好的優勢，如低成本，高穩定性，易于大規模制造等。然而，仍需要進一步開發和優化器件性能和處理技術。

7.穩定性問題

鈣鈦礦光伏器件的長期穩定性是進一步商業應用的關鍵問題之一，本章節中作者介紹了影響鈣鈦礦光伏器件的三個主要問題，濕度穩定性、熱穩定性和離子遷移對穩定性的影響。

結論和展望

目前，關于大面積鈣鈦礦光伏器件的研究集中在鈣鈦礦活性層，但是正如木桶效應所揭示的那樣，木桶的容量取決于最短的板。為了實現鈣鈦礦光伏器件商業化的最終目標，需要科學家們跨學科夸專業的進行合作，尋找穩定鈣鈦礦材料，選擇合適的電荷傳輸材料和電極材料，以及開發低成本的制備工藝。相信在不久的將來，鈣鈦礦太陽能電池將成為硅太陽能電池最具競爭力的替代者之一

注：由于文章篇幅較長，圖文導讀只對部分文章內容進行介紹，具體請看全文。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201803753

本文由南京工業大學黃維院士、秦天石教授團隊供稿，材料人編輯部編輯。

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