【前沿】钙钛矿光伏电池稳定商业化技术探索

钙钛矿太阳能电池想要在商用光伏市场中占有一席之地，就必须要求电池不仅能量转换效率高、制备成本低，还需要其器件本身具有高的稳定性，尤其是在一定湿度环境工作时的稳定性。

    本文作者采用了一种新型工艺，在钙钛矿层中引入了长链聚合物（PEG，聚乙二醇）形成骨架结构，实现了16%的能量转换效率，同时其未封装的电池在70%的相对湿度下经历了300小时后，仍然具有较高的效率输出，且这种工艺制备出的钙钛矿薄膜对水具有显著的自修复功能，这为将来钙钛矿电池大规模商用提供了可能性。

制备方法

图1展示了本文的电池结构，类似于传统的无机介孔层结构。电池的制备过程类似于平面异质结结构的电池，选用TiO2与Spiro-OmetaD作为电子和空穴的传导层。钙钛矿的制备为常规的溶液一步法，在钙钛矿前驱液（PbCl2， MAI in DMF）中掺入绝缘的聚合物长链分子（PEG），制备过程中退火温度为105℃。

钙钛矿薄膜表征

图2是钙钛矿的SEM表征的顶视图和截面图，e、g（scale bar 1um）没有掺入PEG，f、h（scale bar 3um）掺入了PEG，可以看出未掺入PEG的钙钛矿薄膜孔洞比较多，厚度很不均匀，而掺入PEG的薄膜覆盖度与均匀性均得到大幅提升，有效的避免了短路漏电的情况发生。

下图中，a、b、c（scale bar 10nm）分别是钙钛矿薄膜的环形暗场像以及Pb元素与O元素的EDS成像。PEG在此结构中充当了三维支撑骨架，同时，PEG骨架结构还降低了反应结晶速率，d是钙钛矿成膜过程中的实时XRD谱线，引入PEG骨架结构后，反应过程中的中间相直到70分钟以后才逐渐消失。

电池稳定性测试

器件的表征测试结果如图4所示。a是稳定性测试结果，电池均是未封装的状态，保存在70%相对湿度的黑暗环境下，常规电池在50小时后便已经没有效率输出，而引入PEG掺杂的电池在经历300小时后仍有10%左右的效率输出。b图是钙钛矿薄膜喷水过程的实时照片，未掺杂的薄膜遇水分解成黄色PbI2后无法复原，而掺入PEG的薄膜一段时间后能自修复成原先形貌。c、d、e是喷水前后过程电池性能及薄膜质量的表征，经历过一段时间的自修复后，无论是薄膜本身还是器件性能，均恢复到甚至超越了喷水前的水平。

作者认为，PEG与MAI通过氢键形式有着强烈的相互作用，如下图a所示。b图的核磁共振谱证实了PEG中的氧与MA+间存在氢键相互作用。当钙钛矿遇水后，分解成了PbI2和MAI-H2O，此时PEG起到了对MAI的固定作用，随着H2O的挥发，MAI仍然留在薄膜体内，并重新与PbI2反应形成钙钛矿。

PEG作用总结：

1、 类似Al2O3骨架功能。

2、 提高钙钛矿的表面形貌。

3、 降低结晶速率，提高晶体质量。

4、 固定MAI分子，提高钙钛矿薄膜稳定性。