怎样提高太阳能电池的稳定性

提高太阳能电池稳定性

有机金属卤化物钙钛矿材料在潮湿环境和光照条件下稳定性较差，容易发生分解而造成电池效率下降甚至失效，因此除不断提升转换效率外，目前很多研究也致力于提高太阳能电池的稳定性。钙钛矿电池的稳定性受到温度、湿度等多种环境因素的制约。改善钙钛矿电池的稳定性有两种思路：一种是提高钙钛矿材料本身的稳定性，另一种是寻找合适的传输层材料使电池与环境隔绝，抑制钙钛矿材料的分解。

在前一种方法中，Smith等人以一种二维混合钙钛矿材料(PEA)2(MA)2[Pb3I10](PEA=C6H5(CH2)2NH3+，MA=CH3NH3+)作为吸收材料(结构如图4所示)，该结构可通过旋涂沉积形成且无需高温退火。和普通三维钙钛矿材料(MA)[PbI3]相比，二维钙钛矿电池在室温潮湿环境下放置46天而不引起性能的明显下降，具有很好的稳定性。但目前可以替代ABX3中各组分的原子/原子团的选择很有限，相关研究报道也比较少。近年来更多的研究集中在后者，即寻找合适的传输层材料。

(a)两种晶体结构示意图，其中A和B分别为三维材料(MA)[PbI3]和二维材料(PEA)2(MA)2[Pb3I10]的结构;

(b)不同薄膜在潮湿环境下经过相同时间后XRD谱，其中1，2a，2b分别为二维材料薄膜、旋涂质量较差的三维材料薄膜和旋涂质量较好的三维材料薄膜在第二种方法中，研究者致力于寻找更好的空穴传输材料来提高钙钛矿太阳能电池的稳定性。好的空穴传输材料能使激子具有更长的寿命和量子产率，延长电池的使用寿命。钙钛矿电池中通常使用的空穴传输材料为p型掺杂的spiro-OmetaD。通过改变空穴传输材料来提高材料稳定性的思路有两类：第一类是用其他材料来替换原有的空穴材料;另一类是向该空穴材料中加入添加剂或者替换原有的p型添加剂.两类方法提高稳定性的效果如图5所示。

提高太阳能电池稳定性

(a)使用四硫富瓦烯衍生物(TTF-1)和环二芴(spiro-OmetaD)作为空穴传输材料的两种电池的稳定性对比;

(b)添加PDPPDBTE电池与原材料电池的稳定性对比;

(c)采用不同的掺杂剂后电池的稳定性;

(d)不同XTHSI在3个月后的电池效率变化(其中X代表金属元素(如Li，Co，Ir)，THIS代表二(酰基三氟甲烷)酰亚胺)。

在第二类方法中，p型添加剂的引入可提高载流子浓度，进而减少串联电阻及界面处的电荷传输阻抗.目前效果较理想的掺杂剂是LiTFSI(锂基二(酰基三氟甲烷)酰亚胺)。但在含氧环境中，氧气会消耗空穴传输层和TiO2表面的锂离子，使光电流降低、电阻升高，降低电池的稳定性，因此寻找更好的添加剂不仅可以起到提高效率的效果，还可以进一步提高稳定性.利用其他元素来替换金属Li是目前研究的热点之一。

实现钙钛矿太阳能电池的环境友好化

由于含铅材料对环境的不友好性，研究者们在努力实现无铅化，但相应会带来电池转换效率的降低.最直接的方法是利用同族元素(如Sn)来代替Pb元素。在MAXI3材料中，CH3NH3SnI3的能隙仅为1.3eV，远低于CH3NH3PbI3的1.55eV，可以使吸收光谱发生红移。采用CsSnI3作为光吸收材料，并加入SnF2作为添加剂也以减少缺陷密度，提高载流子浓度，进而提高电池效率。这两种替代的吸收材料的吸收光谱发生明显红移，可以吸收更宽波段的入射光。

从解决环境污染但又不牺牲电池转换效率的角度出发，Chen等人提出了另一种思路，即回收汽车电池来提供铅源。由于汽车电池中的铅源具有相同的材料特性(如晶体结构、形貌、吸光性和光致发电性能)和光电性能，既提供了钙钛矿材料制备所需的铅源，又解决了废旧含铅电池无法妥善处理的问题，因此具有一定的实际应用价值。

结论

钙钛矿太阳能电池也存在一些亟需突破的问题。首先，人们大多专注于从不同的角度改进材料和制备方法来提高电池的转换效率，但始终没有建立起完备的理论模型来解释电池转换效率提高的原因，难以得到一个准确可靠的转换效率的理论上限.其次，如何兼顾提高稳定性和转换效率是目前的一个难点。钙钛矿太阳能电池对水蒸气和氧气非常敏感，尽管目前已经出现稳定性长达4个月的电池，但效率仅有12%，相比传统晶硅电池(寿命可达25年)，依然有较大差距。再次，如何实现钙钛矿太阳能电池的大面积连续制备也是现在面临的一个重要问题。在实验室所制得的器件的尺寸仅有几厘米大小，与满足产业化需求还有距离。最后，如何避免使用铅等对环境不友好的重金属同时兼顾高的转换效率也是目前面临的重大挑战。目前用其他元素替换铅通常要以降低电池效率为代价，寻找更合理的方式解决含铅带来的环境问题，使钙钛矿太阳能电池可回收、可再生，对实际产业化同样重要.基于此，通过改善钙钛矿层与其他传导层间的界面性能，寻找更高效的电子/空穴传输材料，电池转换效率仍有非常大的提升空间，同时也可以使太阳能电池的稳定性得到改善。实现钙钛矿材料的无铅化，也成为钙钛矿太阳能电池最终能否被公众接受、实现广泛应用的关键因素之一。