ACS Energy Letters： 鈣鈦礦“攪局技術”

一、?【導讀】 ?

隨著鈣鈦礦太陽能電池的快速發展，降低其制造成本已成為商業化的突出挑戰。目前，由于金（Au）具有兼容的功函數和優異的導電性，其被廣泛應用于n-i-p結構鈣鈦礦太陽能電池的背電極。然而，金的高成本（~$60/g）以及對于真空沉積設備（約占生產線設備總投資的50%）的依賴卻阻礙了其大規模產業化和商用化。而該文報道的新型雙層背電極結構將兼容的功函數和優異的導電性能分別賦予鎳摻雜的天然石墨和低溫合金兩層。此雙層背電極結構可通過簡單的低溫刮涂進行制備，并且原料為天然石墨和常見金屬。在有效規避了價格高昂和耗能的真空設備的使用的同時，也簡化了背電極產業化生產的難度。最終所制備的鈣鈦礦太陽能電池功率轉換效率可達到21.0%。組合利用具有兼容功函數的鎳摻雜天然石墨和導電性能良好的低溫合金，其低廉的材料成本和可以兼容涂布機的簡單制造過程為鈣鈦礦太陽能電池的低成本工業化提供了有力的解決方案。

二、【成果掠影】

近日，美國北伊利諾伊Tao Xu 團隊和美國國家可再生能源實驗室（NREL）Kai Zhu 團隊合作在ACS Energy Letter 上發表研究論文。該合作團隊通過開發一種由鎳粉摻雜的天然石墨層和低熔點鉍銦合金組成的新型雙層背電極結構，利用石墨烯層之間的平面特性和松散的鍵合特性，石墨層可以通過物理摩擦，無損地附著并覆蓋于spiro-OMeTAD空穴傳輸層（HTL）上。同時，在石墨中摻雜金屬鎳粉可以顯著防止頂部合金層向石墨層的滲入，從而確保石墨層的材料完整性，和優化石墨層的功函數，并使其與spiro-OMeTAD HTL的費米能級對齊,?再利用鉍銦合金的電導率優勢傳導電荷。最重要的是，比起高昂的金電極價格（~$60/g），該石墨/鉍銦合金雙層電極只需1/50的材料成本，可進一步有效降低鈣鈦礦器件的整體生產費用。最后，研究人員制備了基于此雙層背電極的雜化鈣鈦礦太陽電池器件。基于FAPbI₃的雙層背電極器件擁有21.0%的PCE，顯著高于同為無蒸鍍工藝的碳電極器件性能。該雙層背電極結構為低成本、無需機械壓力、無需真空沉積過程的鈣鈦礦太陽能電池技術鋪設了實用化道路。相關研究文章以“Nickel-Doped Graphite and Fusible Alloy Bilayer Back Electrode for Vacuum-Free Perovskite Solar Cells”為題發表在ACS Energy Letters上。

?三、【核心創新點】

該文提出了一種創新性雙層結構背電極，其由一層低成本的鎳粉摻雜天然石墨層和一層低熔點金屬合金層組成，其中鎳參雜石墨的合適的功函數有利于界面載流子提取和而高電導率的合金層則有利于電荷輸運。除了避免使用昂貴的金作為背電極之外，由于石墨對HTL層的強附著性和低溫合金的可熔性，電極制備可以很便利地在普通空氣環境中通過簡單涂布工藝實現，而不涉及任何復雜的真空沉積過程。同時，本工作所應用的石墨層為天然石墨材料，而非具有復雜組分配比的納米碳材料。此技術有望大幅降低材料成本、基礎設施投資和工藝擴展性，以加速鈣鈦礦太陽能電池的工業化和商業化進程。”

?四、【數據概覽】

圖1 雙層背電極的雜化鈣鈦礦太陽電池器件示意圖以及雙層背電極刷涂過程? 2023 American Chemical Society

圖2 基于石墨/低溫合金雙層背電極的鈣鈦礦太陽能電池性能和能級表征? 2023 American Chemical Society

圖3 創新性摻鎳石墨/低溫合金作為背電極和傳統金電極器件和穩定性對比? 2023 American Chemical Society

五、【成果啟示】

本工作開發了一項無需使用真空蒸鍍設備和基于低成本材料的涂布工藝來制備鈣鈦礦太陽能電池的背電極，其比起現今最成熟的無真空蒸鍍碳電極電池擁有更優異的器件性能。因此，該研究成果為實現低成本、高效率和可用于高通量制造的鈣鈦礦太陽能電池商用化進程提供了適配的技術路線。

原文詳情：Nickel-Doped Graphite and Fusible Alloy Bilayer Back Electrode for Vacuum-Free Perovskite Solar Cells, ACS?Energy Letters, 2023, 8, 2940-2945.

DOI: 10.1021/acsenergylett.3c00852

本文由材老牛供稿。