反式钙钛矿太阳能电池背电极界面稳定性研究.pdf
华中科技大学硕士学位论文
摘要
钙钛矿太阳能电池诞生至今十余年的时间，其光电转换效率从3.8%迅速提高到
了25.8%与优异的光电转换效率相比，钙钛矿太阳能电池的稳定性问题成为制约其
快速商业化的重要瓶颈。导致钙钛矿太阳能电池不稳定的因素是多方面的，除公认的
钙钛矿材料自身的化学和结构稳定性较差以外，界面材料和电极材料的选择也会对
器件的稳定性产生很大的影响。其中，反式钙钛矿太阳能电池采用的“氧化镍/富勒
烯”界面材料体系相对较为稳定，但常规反式钙钛矿太阳能电池中采用的Ag、Cu电
极在高温或“高温+光照”的极端条件下容易与钙钛矿发生化学反应，从而导致反式
钙钛矿器件性能的快速退化，这是稳定性研究的重点瓶颈。目前急需提出廉价高效高
稳定的背电极解决方案。本文基于平面反式器件结构，在富勒烯电子传输层和背电极
之间制备了几种稳定致密的界面阻挡层，结合课题组之前稳定的Bi电极，针对反式
钙钛矿太阳能电池的稳定性，尤其是“高温+光照”稳定性进行了系统研究，具体工
作包括：
（1）采用原子层沉积技术（ALD）制备了结构致密的ALD-Al2O3隧穿界面层，
制备了结构为FTO/NiMgLiO/FACsPbIBr/PCBM/BCP/ALD-AlO/Ag的反式电
2.850.1523
池ALD-AlO界面层具有良好的阻水性能，当ALD-AlO界面层厚度足够薄（3nm）
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时，不影响器件效率并可有效提高稳定性。研究发现该界面层可以有效抑制钙钛矿分
解、离子迁移以及金属电极向内渗透。具有ALD-Al2O3界面层的器件在常温、1su
等效光强的光照条件下的长期稳定性超过2000小时，效率衰退小于10%。在65℃、
1su等效光强的光照条件下连续工作1500小时后，器件效率衰退小于10%；同等
条件下，无该界面层的器件的长期稳定性仅为200小时（效率衰退大于20%）
（2）采用更为简单的真空蒸镀法制备了结构致密、具有良好高温化学稳定性的
Cr界面阻挡层，与具有化学惰性良好的廉价Bi金属构成Cr/Bi双层金属电极。通过
对比研究发现，Cr界面层可以形成有效的化学阻隔作用，能够有效延缓钙钛矿的热
分解过程，并阻挡钙钛矿分解产生的卤化物和金属电极（Cu、Bi）之间发生化学反
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应。对比Cr/Cu和Cr/Bi电极体系发现，由于Cu与钙钛矿分解碘化物在加热时的反
应活性远高于Bi，尽管有Cr界面层的阻挡，钙钛矿的热分解和大量CuI的生成仅得
到了较小幅度的改进。而Bi与钙钛矿分解碘化物的反应活性低很多，加入Cr阻挡
层后，Cr/Bi电极体系对钙钛矿层的热稳定性得到了显著提升。在“高温+光照”协同
作用下，基于Cr/Bi电极的器件具有最佳的高温光照稳定性，在连续光照、N2环境、
最大功率点追踪下在65-75-85℃高温下老化至总时长1440小时后仍保留了86%的
初始效率。相比之下，Cr/Cu电极的器件在65-75-85℃光照老化1080小时后，器件
效率衰退为初始值的18.5%
关键词：钙钛矿；太阳能电池；光热稳定性；惰性金属电极；界面阻挡层
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