受聚合物电池结构的启发,平面异质结结构钙钛矿太阳能电池也可以采用反式结构。该类电池结构中,空穴传输到导电玻璃层,而电子传输到金属电极层。最常用的HTM是PEDOT:PSS(聚3,4-乙撑二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐),电子传输层通常为C60衍生物。而基于聚合物电池技术的柔性基底钙钛矿太阳能电池应用范围将会更加广泛,有望应用于民用住宅的屋顶、窗户等处。
五、有机卤化铅钙钛矿太阳能电池的研究趋势
5.1有机卤化铅钙钛矿材料
(1)将不同卤素离子进行结合不同卤素离子进行结合,可以有效调节有机卤化铅的光吸收、稳定性以及带隙宽度,实现光电转化效率的优化。
(2)通过研究甲胺基、乙胺基和脒胺基三类有机胺离子对于有机卤化铅结构的影响,发现甲胺基和脒胺基适合于有机卤化铅。两种有机离子的结合更有利于提升钙钛矿太阳能电池的性能。
5.2有机卤化铅钙钛矿电池制作工艺
开发低温制作工艺可有效降低电池生产的成本;在非平面结构钙钛矿太阳能电池中,有机卤化铅在孔隙中的填充对光电转化效率有很大影响,因此有机卤化铅沉积工艺对电池性能也有很大影响。目前有机卤化铅沉积工艺有一步沉积法、两步沉积法、双源蒸镀沉积法和蒸镀辅助溶液沉积法等。一步和两步溶液法是相对简单的制备方法,而且可用于制备高性能电池。钙钛矿晶粒形貌难以控制是导致器件可重复性差的重要原因。制备晶粒大小分布均匀的高质量、大面积钙钛矿薄膜是钙钛矿太阳能电池的关键之一。

图9一步溶液法和两步溶液法工艺示意图[13]
5.3HTM层和对电极
Spiro-OMeTAD是目前最常用的HTM层材料,但其价格昂贵,寻找价格低廉的替代品对于成本的降低十分重要。也有不含HTM层的电池结构,降低成本的同时也避免了HTM渗透不均匀对电池光电转化效率的不利影响。有机卤化铅钙钛矿电池中的对电极大多采用金或银,成本相对较高。采用碳电极,可以有效降低成本。
5.4平面异质结钙钛矿太阳能电池
敏化类有机卤化铅钙钛矿电池由于采用了氧化物层,必须考虑到渗透问题,而且很多需要超过500°C的烧结过程。将非平面结构替换为平面异质结结构,可有效地减少制作过程的复杂性,也增加界面的一致性和钙钛矿晶体的均匀性。
5.5大面积电池
高效率大面积(>1cm2)钙钛矿太阳能电池的开发是实现其市场化应用的关键,但由于有机卤化铅钙钛矿太阳能存在均匀性、一致性差等问题,使得大面积钙钛矿太阳能电池的效率难以提高。通过优化电池结构布局、优化界面工程及电池制造工艺,最新报道的大面积钙钛矿太阳能电池的光电转换效率达到19.6%[15]。


图10钙钛矿薄膜沉积工艺及器件结构示意图[14]
5.6有机卤化铅钙钛矿太阳能电池的机理研究
界面的均一性和连续性对电池的光电转化效率有重要影响,钙钛矿的稳定性问题也是亟待解决的问题之一。非平面结构钙钛矿太阳能电池中,采用TiO2,可能的电子传输路径将会有两条,即电子通过TiO2层或钙钛矿层进行传输,但是究竟哪种传输起到主要作用,目前还不清楚。如果采用Al2O3,则电子将仅仅通过钙钛矿层进行传输,但是Al2O3究竟起到什么具体作用,研究还不透彻。平面异质结钙钛矿太阳能电池避免了钙钛矿层和空穴传输层在氧化物层中渗透问题对电池的影响,载流子复合现象得到抑制,电池重现性良好。
六、总结
从2009年至今,钙钛矿太阳能电池光电转化效率就从原来的低于3.8%迅速提高到了20.1%[1],可见钙钛矿太阳能电池的巨大潜力。但是钙钛矿太阳能电池要想实现商业化,还需要解决一系列问题。
实际应用当中,提高钙钛矿太阳能电池稳定性,降低光电转化效率衰减速度,能够有效降低成本。有机卤化铅极易在水汽存在的条件下分解,避免钙钛矿电池材料的分解的思路主要是阻止钙钛矿层与水的接触,可以通过在钙钛矿层表面增加保护层或疏水层,封装的办法来解决。但是,增加保护层或封装会增加实际操作中的成本和难度,所以更好地研究分解机理,改进钙钛矿层本身的结构是解决这个问题的更好办法。选择更加稳定的、传输效果更好的空穴传输材料是保持钙钛矿太阳能电池稳定性的必然选择。
目前钙钛矿太阳能电池生产采用的工艺条件要求控制湿度,甚至是在惰性气体保护条件下完成装配,这是实现钙钛矿太阳能电池工业化生产的一大问题。另外,目前生产钙钛矿层制备的方法工序还较为复杂,不适合工业化大规模生产。成本方面,常用的空穴传输材料Spiro-OMeTAD和Au、Ag对电极材料的成本相对较高,目前开发的替代材料在电池性能方面表现较差。此外,寻找Pb元素的替代元素依然任重而道远。
相较于非平面结构,平面结构的太阳能电池具有生产工艺简单的优势,更有利于实现工业化生产。其中,柔性基底的钙钛矿太阳能电池具有可以实现低温连续低成本生产的良好潜质,但目前柔性基底钙钛矿太阳能电池基底大都采用ITO玻璃和塑料结合材料,而铟的成本相对较高。ITO对曲挠的耐受程度有限,与之结合的塑料材料对热的耐受性有限,透光性较玻璃而言较差。同时,柔性基底钙钛矿太阳能电池光电转化效率距离刚性太阳能电池光电转化效率还有一定的差距。如何有效制备得到高效的大面积钙钛矿太阳能电池是一个很有实际意义的课题。
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来源:材料牛