黄维院士&秦天石AFM综述：面向大面积钙钛矿电池的材料的进展、挑战和策略

【引言】

金属卤化物钙钛矿太阳电池作为最优前景的第三代光伏技术，最近得到了科学界和工业界的广泛关注。迄今为止，小面积PSC的功率转换效率已超过23％，接近商用硅光伏电池。但是大多数经过认证或报道的高效钙钛矿光伏器件（PCE>20%），其有效面积较小，一般在0.03～0.1cm²左右。随着器件有效面积的扩大，器件效率呈明显的下降趋势，这制约了钙钛矿光伏器件的工业化进程。器件有效面积扩大导致的效率和稳定性问题迫切需要关注和解决。

【成果简介】

近日，南京工业大学（先进材料研究院）黄维院士、秦天石教授团队在Advanced Functional Materials杂志上发表了题为“Materials toward the Up-scaling of Perovskite Solar Cells: Progress, Challenges and Strategies”的综述性文章，第一作者为王芳芳副教授。在这篇综述中，作者首先介绍了钙钛矿光伏器件和组件的结构，然后从各个功能层材料的角度详细探讨了近年来大面积钙钛矿光伏器件的研究进展、目前的问题和解决策略，包括钙钛矿材料，空穴传输材料，电子传输材料和电极材料。此外还分析了影响钙钛矿光伏器件稳定性的几点关键因素。最后对大面积钙钛矿光伏器件的发展和策略进行了总结和展望。文中关于大面积钙钛矿电池产业化方面得到了合作单位京东方科技集团李新国、吴晓博士的建议。该论文作者为Fangfang Wang, Yezhou Cao, Cheng Chen, Qing Chen, Xiao Wu, Xinguo Li, Tianshi Qin,*and Wei Huang*

【图文导读】

1.背景介绍

金属卤化物钙钛矿太阳电池作为最优前景的第三代光伏技术，最近得到了科学界和工业界的广泛关注。迄今为止，小面积PSC的功率转换效率已超过23％，接近商用硅光伏电池。但是大多数经过认证或报道的高效钙钛矿光伏器件（PCE>20%），其有效面积较小，一般在0.03～0.1cm²左右。随着器件有效面积的扩大，器件效率呈明显的下降趋势，这制约了钙钛矿光伏器件的工业化进程。器件有效面积扩大导致的效率和稳定性问题迫切需要关注和解决。为了实现未来的商业应用，必须解决大面积钙钛矿光伏器件中涉及的效率，稳定性，材料成本和制造技术等问题，这需要科学家和研究人员不断尝试和探索适合制造大面积器件的各功能层材料。

2.钙钛矿太阳电池的器件结构

 3.钙钛矿活性层材料

在本章中，作者以钙钛矿的晶胞结构ABX₃为主体，通过改变不同X位的阴离子，A位阳离子，从材料的角度出发，介绍了组成不同的钙钛矿材料和不同的工艺制备方法来获得大面积钙钛矿薄膜的进展趋势、问题以及策略。作者认为应进一步开发新工艺制备方法，以获得大面积和高质量的钙钛矿薄膜。尽管混合离子的三维钙钛矿表现出非常优异的器件性能，但环境稳定性仍然是其商业化的障碍。与三维钙钛矿器件相比，2D/3D钙钛矿光伏器件具有优异的稳定性和耐水性,非常有希望实现高效和稳定的商业化光伏器件，因此应该给予高度重视。

4.空穴传输材料

目前报道的用于大面积制备钙钛矿光伏器件的空穴传输材料较少，应用较多的主要是Spiro-OMeTAD，然而该材料并不适用于大面积器件制备，主要是由于其合成成本高，空穴迁移率低，需要使用易吸水的掺杂剂等。因此面向大规模制备钙钛矿光伏器件的空穴传输材料除了要具有基本要求，如高空穴迁移率，与钙钛矿精确匹配的能级，良好的溶解性，高热稳定性和光化学稳定性以及高疏水性，还应该具有以下关键优势，例如高效率，非掺杂和低成本。在本章节，作者详细介绍了具有大面积器件制备前景的空穴传输材料以及未来材料设计的发展方向。内容涵盖不同结构的高效率、低成本的小分子HTMs、不同结构的高效率、非掺杂的聚合物HTMs，高效有机金属HTMs和成本低廉、空穴迁移率高的无机HTMs。

5.电子传输材料：

目前对于大面积n-i-p型钙钛矿光伏器件来说，无机金属氧化物电子传输材料是最常用的，作者认为应进一步开发可大面积制备电子传输材料的低温处理技术。对于反式p-i-n型钙钛矿光伏器件，最常用的电子传输材料是富勒烯C60及其衍生物PCBM，但是其具有与环境稳定的金属电极不匹配的功函数的问题，作者认为开发非富勒烯衍生物迫在眉睫。

6.电极材料

金属纳米线电极、金属网络电极和碳基电极在制造大规模PSC方面具有很好的优势，如低成本，高稳定性，易于大规模制造等。然而，仍需要进一步开发和优化器件性能和处理技术。

7.稳定性问题

钙钛矿光伏器件的长期稳定性是进一步商业应用的关键问题之一，本章节中作者介绍了影响钙钛矿光伏器件的三个主要问题，湿度稳定性、热稳定性和离子迁移对稳定性的影响。

结论和展望

目前，关于大面积钙钛矿光伏器件的研究集中在钙钛矿活性层，但是正如木桶效应所揭示的那样，木桶的容量取决于最短的板。为了实现钙钛矿光伏器件商业化的最终目标，需要科学家们跨学科夸专业的进行合作，寻找稳定钙钛矿材料，选择合适的电荷传输材料和电极材料，以及开发低成本的制备工艺。相信在不久的将来，钙钛矿太阳能电池将成为硅太阳能电池最具竞争力的替代者之一

注：由于文章篇幅较长，图文导读只对部分文章内容进行介绍，具体请看全文。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201803753

本文由南京工业大学黄维院士、秦天石教授团队供稿，材料人编辑部编辑。

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