影响杂化钙钛矿太阳能电池稳定性的因素探讨.pptVIP

* * * * * 影响杂化钙钛矿太阳能电池稳定性的因素探讨 杨志亮 有机-无机杂化钙钛矿作为吸光材料用于太阳能电池引起了人们广泛的关注，这类电池同时具有制备工艺简单、成本低廉等优点，引发了钙钛矿电池的研究热潮。本文探讨影响钙钛矿材料及器件的稳定性因素，从温度及湿度等方面分析了材料的稳定性，从传输材料及其界面问题讨论了器件的稳定性。 Title 01 02 03 钙钛矿材料的稳定性 器件结构的稳定性 结论 怎样提高钙钛矿电池稳定性，延长其寿命？ 材料稳定性 器件稳定性 HTM ETM 替换CH3NH3+ 替换I- 由于杂化钙钛矿结构在温度或湿度较高的环境下，其晶格易被破坏而导致材料的分解。有关钙钛矿材料本身的稳定性主要关注的是其热稳定性及与水的反应敏感性即湿度稳定性，这也是杂化钙钛矿作为光伏材料能否最终实用化的关键因素，下面就分别就这两个方面进行叙述。 钙钛矿材料的稳定性 钙钛矿材料的热稳定性 此类结构对于离子的大小有着严格的要求，非常小的晶格膨胀或畸变都会使得材料的对称性和结构稳定性大幅降低。材料能否形成稳定的钙钛矿结构可以通过容忍因子t进行初步判断， 其中rA和rM分别是正八面体结构中阳离子A和M的有效离子半径，rX是阴离子有效半径。 一般来说，若要形成稳定的钙钛矿结构，t的取值需要在0.78—1.05之间。目前最广泛用于太阳能电池的钙钛矿材料CH3NH3PbI3的t=0.834(rA=180pm，rM=119pm，rX=220pm)，在室温下是扭曲的三维结构。通过更换或部分引入不同大小的离子，可以实现对t的调节，进而获得具有更稳定晶体结构的钙钛矿材料，其对于环境的稳定性也会因此受到影响。 而基于CH3NH3PbI3的器件则效率明显降低，说明FAPbI3的稳定性优于CH3NH3PbI3。Snaith等将FAPbI3和CH3NH3PbI3的薄膜置于150°C60min，CH3NH3PbI3降解为黄色的PbI2而FAPbI3依然保有之前的深色，显示出更好的热稳定性。Docampo等也映证了上述结论，其对含不同A的钙钛矿热分解稳定进行更准确的测量表明，含有FA的钙钛矿均比起含有MA的钙钛矿热分解温度要高50°C以上。由于太阳能电池在实际应用中很可能持续在60°C以上工作，因此采用具有较好热稳定性的FA类钙钛矿材料对于电池的长程稳定性是非常有利的。 通过改变钙钛矿中阳离子A，材料的稳定性会发生改变。Park等用HN=CH(NH3)+替代CH3NH3+,分别用HN=CH(NH3)PbI3(FAPbI3)和CH3NH3PbI3作吸光层制备器件。在相同条件下每隔5s对两种不同的器件进行一次测试，结果显示基于FAPbI3的器件在经过10次测试之后仍然相对稳定， 由于Pb元素有一定的毒性，用无毒或低毒的元素进行替代，对环境更有利。但是目前在金属M的替换研究中，得到的结果不甚理想。已经报道的有用Sn2+进行部分取代，由于Sn2+比Pb2+体积小，从而引起晶格稳定性的下降。而且由于Sn4+比Sn2+更加稳定，Sn2+容易被氧化变成Sn4+，故含Sn的钙钛矿对氧气很敏感，得到的器件无论从效率还是稳定性都要比含Pb的略逊一筹。因此需要寻求其他更稳定、更高效、更环保的替代元素。 钙钛矿材料的湿度稳定性 Karunadasa等用C6H5(CH2)2NH3+(PEA)部分取代CH3NH3+得到用(PEA)2(CH3NH3)2[Pb3I10]作吸光层的器件，制得的膜对湿度的稳定性更好。为了比较(PEA)2(CH3NH3)2[Pb3I10]和CH3NH3PbI3对湿度的稳定性，他们将两种材料旋涂，得到的膜暴露在湿度约为52%的空气中，CH3NH3PbI3经过大约4—5d，降解产生PbI2，而(PEA)2(CH3NH3)2[Pb3I10]经过46d，基本没有降解，XRD图中的特征峰基本没有变动。说明二维钙钛矿结构的(PEA)2(CH3NH3)2[Pb3I10]比三维钙钛矿结构的CH3NH3PbI3对湿度的稳定性更好。 A)?Crystal structures of the 3D perovskite (MA)[PbI3] (2, from Ref.?12a) and B)?the 2D perovskite (PEA)2(MA)2[Pb3I10] (1). The inorganic layers in 1 can be structurally derived from 2 by slicing along specific crystallographic planes (turquoise sheets in (A)). Inset: a PEA cation in the organic layers. Atom colors: Pb=