特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨米測MeLab
編輯丨風云
隨著鈣鈦礦光伏技術邁向商業化，在必須與照明電池電流匹配的遮光電池中，反向偏置退化是一個嚴峻的挑戰。先前的研究強調了碘化物和銀氧化的作用，以及空穴從電子傳輸層隧穿到鈣鈦礦中的作用，從而使反向偏置下的電流流動，進而導致退化。
基于此，華盛頓大學David S. Ginger等人系統地研究了典型 p–i–n PSC 的反向偏置行為，展示了器件架構工程對鈣鈦礦太陽能電池的反向偏置行為有顯著的影響。 通過實施約 35 納米厚的共軛聚合物空穴傳輸層和更電化學穩定的背電極，證明了平均擊穿電壓超過?15?V，與硅電池相當。作者重新審視了以前關于反向偏置驅動的退化機制的提議，并提出需要將氧化銦錫 (ITO) 電極的平坦化以防止鈣鈦礦接觸 ITO、阻止電子注入和使用電化學穩定的電極視為反向偏置驅動的器件退化行為完整圖景的重要組成部分。提高擊穿電壓的策略減少了保護部分遮光的太陽能模塊所需的旁路二極管的數量，這已被證明是硅太陽能電池板的有效策略。
典型 p–i–n 鈣鈦礦太陽能電池的反向偏置行為
作者使用的Cs0.22FA0.78Pb(I0.85Br0.15)3和MAPbCl3添加劑探討了提高鈣鈦礦太陽能電池（PSC）反向偏置穩定性的方法，這種鈣鈦礦組合物具有約1.67 eV的帶隙，適用于鈣鈦礦-硅串聯。通過自組裝單層MeO-2PACz和C60作為空穴傳輸層（ETL），以及Ag作為背電極。研究發現，在反向偏壓下，PSC性能會下降，并確定了導致性能下降的關鍵反向電壓Vrb約為-0.7V。嘗試使用APTMS鈍化鈣鈦礦表面和非富勒烯ETL以提高穩定性，但這些方法并未改善反向偏置下的穩定性。
圖 典型 p–i–n 結構鈣鈦礦太陽能電池的反向偏置穩定性研究
聚合物HTL顯著改善Vrb
接著，作者探討了更換膦酸基空穴傳輸層(HTL)對提高鈣鈦礦太陽能電池反向偏置穩定性的影響。實驗比較了五種不同的HTL，包括MeO-2PACz、NiOx、PEDOT:PSS、Poly-TPD和PTAA，發現不同HTL對電池的反向偏置行為有顯著影響。特別是，基于PTAA的電池展現出最大的Vrb值，達到了-7.60V，遠高于其他HTL，表明PTAA可能是實現更高反向偏置穩定性的關鍵材料。此外，研究發現PEDOT:PSS中的質子和其他離子物質可能會與鈣鈦礦發生反應，導致其Vrb值較低。通過引入額外的PFN-Br層，可以增加鈣鈦礦溶液的潤濕性，但對反向偏置行為沒有顯著改善。研究結果表明，選擇適當的HTL對于提高鈣鈦礦太陽能電池的反向偏置穩定性至關重要。
圖 不同HTL對Vrb的影響
電化學穩定的電極可產生更大的 Vrb
進一步地，作者通過使用Au電極替換Ag電極制造了鈣鈦礦太陽能電池，以測試電化學穩定性并減少反向偏置引起的降解。實驗結果顯示，Au電極的使用顯著提升了電池的Vrb，其中基于PTAA的電池展現出最大的Vrb值。這表明HTL的選擇對提高電池在高反向偏置下的穩定性具有重要作用。研究還發現，在弱光照射下，電池的Vrb與完全黑暗條件下相似，表明電池在實際室外環境中的穩定性。進一步的長期反向偏置測試表明，即使在高反向偏置下長時間暴露，基于PTAA的電池性能也是可恢復的。
圖 電化學穩定性金電極對Vrb的影響
反向偏壓退化機制
最后，作者探討了空穴傳輸層(HTL)和金屬電極選擇對鈣鈦礦太陽能電池反向偏置穩定性的影響。通過實驗觀察和計算，排除了聚合物HTL作為鹵化物“海綿”和降低反向電壓的可能性，轉而支持HTL在阻止電子注入和提供物理屏障方面的作用。特別是，PTAA HTL由于其較厚的厚度和更好的TCO平面化能力，能有效減緩電子注入，從而提高電池的反向偏置穩定性。此外，使用Au代替Ag作為背電極，由于Au的氧化電位較高，可以減少碘化物的氧化，進一步增強電池的穩定性。研究結果表明，通過優化HTL和選擇適當的電極材料，可以顯著提高鈣鈦礦太陽能電池在高反向偏置下的穩定性。
圖 反向偏壓下鈣鈦礦太陽能電池退化機制示意圖
參考文獻：
Jiang, F., Shi, Y., Rana, T.R. et al. Improved reverse bias stability in p–i–n perovskite solar cells with optimized hole transport materials and less reactive electrodes. Nat Energy (2024).
https://doi.org/10.1038/s41560-024-01600-z
