钙钛矿太阳能电池如何能高效稳定运行

【概要】科学家通过引入由薄层石墨烯氧化物保护的硫氰酸钠，大大提高了钙钛矿太阳能电池的稳定性。当器件暴露于60°C全光照环境中1000小时以上，并受到极端的加速老化试验过后，器件的损耗却仅低于5％。

【图注】完整太阳能电池的α-CuSCN结构和横截面SEM显微照片。

钙钛矿太阳能电池（PSC）采用低制造成本实现了高光转换效率。但是为了开发市场应用前景，钙钛矿薄膜也必须坚固耐用，并且在太阳光下不会随时间降解。EPFL科学家现在大大提高了PSC的稳定性，在60℃的全日照持续1000小时照明的环境下，超过20%的钙钛矿电池可达到其初始效率的95％以上，这标志着钙钛矿太阳能电池稳定性的最高突破。

稳定性的挑战

传统的硅太阳能电池技术已经成熟，其效率可达到25％左右，然而其制造成本较高，重量和刚性的问题在很大程度上尚未得到解决。与此相反，钙钛矿太阳能电池等相对较新的光伏技术已经实现了超过22％的转换效率。

鉴于钙钛矿材料的化学通用性和低成本可加工性，PSC所提供的廉价，质轻，高效的太阳能电池，有望引领光伏技术的未来。但到目前为止，只有非常昂贵的原型有机空穴传输材料（HTMs，选择性地在太阳能电池中传输正电荷）能够实现20％以上的电力转换效率。由于成分的限制，这些空穴传输材料对PSC的长期稳定性将产生不利的影响。

因此，研发出同等效率、便宜且稳定的空穴输送器，对于钙钛矿太阳能电池的大规模应用显得极为迫切。在各种无机HTM中，硫氰酸亚铜（CuSCN）作为一种稳定，有效和廉价的候选者（常用螺旋OMeTAD为0.5美元/克，500美元/克），以前常用于钙钛矿太阳能电池中。但CuSCN作为空穴传输体的尝试已经发现，其仅产生适度稳定的效率且器件稳定性较差，该项研究结果与在钙钛矿膜顶部沉积高质量CuSCN层的问题有关，就像化学不稳定性的孔集成到钙钛矿太阳能电池中的CuSCN层。

稳妥的解决方案

目前，Michael Grätzel位于EPFL的实验室，是由博士后Neha Arora和Ibrahim Dar所领导，该项目的研究人员引入了两个能克服CuSCN基钙钛矿太阳能电池主要缺点的新概念。首先，他们开发了一种简单的动态解决方案，可用于沉积高度为60nm厚的CuSCN层，并能够制造出稳定转换效率超过20％的钙钛矿太阳能电池。这与最佳性能，最先进的螺旋OMeTAD型钙钛矿太阳能电池的转换效率相当。

第二，科学家们在CuSCN和金层之间引入了一个薄的间隔层，减少了石墨烯的氧化。这种创新使得钙钛矿太阳能电池能够在60°C的全日光照射下，在最大功率点持续运行1000小时，实现出色的运行稳定性，并超过其初始效率的95％以上。这甚至突破了有限的HTM基钙钛矿太阳能电池的稳定性，这些太阳能电池最近得到大量研究并且在该领域将占据主导地位。

研究人员还发现，钙钛矿太阳能电池装置的不稳定性源于太阳能电池运行期间CuSCN /金相接触面的降解。“这是钙钛矿太阳能电池研究的重大突破，将为极具前景的新光伏技术的大规模商业市场铺平道路。”Michael Grätzel说道。而M. Ibrahim Dar也补充说：“这将有利于该领域的众多科学家们，因为他们一直在密切地寻找可取代目前使用的，极为昂贵的有机空穴转运蛋白材料。

文献链接：Perovskite solar cells reach record long-term stability
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