低成本钙钛矿太阳能电池的有希望的电极赢家

钙钛矿太阳能电池是光伏领域的后起之秀。它们吸收几乎所有可见波长的光，它们在实验室中具有超过20%的卓越功率转换效率，并且它们相对容易制造。那么，为什么我们屋顶上还没有找到钙钛矿太阳能电池呢?一个问题是它们的总成本，另一个问题是更便宜的钙钛矿太阳能电池具有短的寿命。冲绳科学技术研究生院(OIST)的能源材料和表面科学部门在Advanced Materials Interfaces上发表的一项研究揭示了具有银电极的钙钛矿太阳能电池寿命短的原因。

目前，钙钛矿太阳能电池中最常见的电极材料是金，这是非常昂贵的。黄金的低成本替代品是白银，价格便宜约65倍。为了保持更低的成本，该团队希望使用溶液处理的方法来制造太阳能电池的层，而不是昂贵的基于真空的技术。使用银电极和基于溶液的方法的问题在于银在太阳能电池制造的几天内被腐蚀。腐蚀使电极变黄，并降低电池的效率。由Yabing Qi教授领导的OIST团队已经证明了这种退化的原因并提出了解释。

钙钛矿太阳能电池由三明治层组成，它们共同作用，将光转化为电能。光被钙钛矿材料吸收并刺激电子激发，产生所谓的电子 - 空穴对。简单来说：当电子被激发时，它们会“跳跃并留下空洞”。激发的电子和空穴由相邻的太阳能电池层以相反的方向传输，包括电子传输二氧化钛层，螺-MeOTAD空穴传输层(HTL)，涂有透明导电材料的玻璃层，和银顶电极。整个机制产生电流，但它需要太阳能电池的每一层的正确功能才能有效地工作。“如果一层失效，整个太阳能电池都将遭受损失，”Luis Ono解释说。

在这项研究中，该团队分析了腐蚀银电极的成分，并确定了碘化银的形成作为电极腐蚀的原因。颜色变化是由于从银到碘化银的氧化。他们还发现，与干燥氮气暴露相比，暴露在空气中会加速腐蚀。

该团队提出了这种损害的机制：碘化银形成，因为来自环境空气的气体分子到达钙钛矿材料并降解它形成含碘化合物。这些含碘化合物扩散到银电极并腐蚀它。空气分子和含碘化合物的迁移可能通过螺旋-MeOTAD HTL层中存在的小针孔发生(见动画)。使用溶液处理方法生产的螺-MeOTAD HTL层中存在的针孔几个月前由同一实验室的博士生Zafer Hawash确定。

用银代替金并使用溶液处理方法是降低太阳能电池成本的关键。OIST团队认为，了解腐蚀机理是延长电极寿命的第一步。由于防止螺-MeOTAD HTL层中的针孔形成对于更长的电池寿命至关重要，该团队还致力于使用溶液工艺方法生产无针孔太阳能电池，同时生产无针孔HTL。基于真空的方法已经由同一组发表。“基于钙钛矿的太阳能电池显示出作为下一代光伏技术的商业用途。我们的目标是通过采用适当的HTL和封装材料来设计和制造大面积和低成本的光伏模块，延长使用寿命。