金属纳米线透明电极在钙钛矿太阳能电池中稳定性研究

The development of low temperature and solution processed perovskite solar cell is important to the area of solar cell. Presently, the researchers normally adopt ITO and FTO for the bottom electrode of perovskite solar cell. The solution processed metal nanowires, such as copper and silver, have been demonstrated to be comparable with ITO and FTO of their electrical and optical properties. However, the halogen compounds in perovskite film will attack metal nanowires and affect their electrical stability. In this proposal, we will investigate the corrosion of copper and silver nanowire electrode during and after the formation of perovskite film. Through optimizing the experimental method and parameters for the composite electrode of metal nanowire and graphene oxide, we will get the electrode with improved optical transparency and stability. Based on the understanding of the corrosion process, we will properly choose materials and methods for the preparation of each component in the device, for synergetic improving the stability of metal nanowire electrode in the perovskite solar cell. The study in this proposal can promote the application of metal nanowire in perovskite solar cell, as well as the development of low cost and large area perovskite solar cell.

基于低温、全溶液的方法制备钙钛矿太阳能电池是新型太阳能电池领域的一个重要发展方向。现阶段，研究人员多采用氧化铟锡（ITO）和氟掺杂氧化锡（FTO）薄膜作为钙钛矿电池的底部透明电极，基于溶液处理的铜和银纳米线透明电极具有与ITO和FTO相媲美的导电和透光性，而钙钛矿中的卤素化合物对金属纳米线具有一定的腐蚀性，极大地影响电极的电学稳定性。项目以金属铜和银纳米线电极为研究对象，探究钙钛矿薄膜在成膜过程中和成膜之后对电极侵蚀的动力学过程。通过探究和优化金属纳米线和氧化石墨烯复合电极的实验手段和参数，改善电极的透光性和稳定性。在理解钙钛矿薄膜对金属纳米线侵蚀的动力学过程基础上，选取合适的材料和制备方法，针对性地改善器件中各层结构，具有协同性地提高金属纳米线透明电极在钙钛矿电池中的稳定性。本项目的研究可以推动金属纳米线电极在钙钛矿电池中的应用，促进低成本和大面积钙钛矿太阳能电池的发展。

金属电极是钙钛矿太阳能电池的一个重要组成部分，然而钙钛矿电池在工作过程中存在稳定性的问题，其中一部分原因可以归结为钙钛矿薄膜分解释放出来的卤素会对金属电极造成腐蚀，对电极及其界面产生不可逆的破坏。本项目首先以金属银纳米线为主要的研究对象，并在电极上旋涂上钙钛矿薄膜及其常用的前驱反应物，研究透明电极在不同环境条件下的电阻变化，并分析各类薄膜对金属银纳米线电极腐蚀的动力学过程；其次，以薄银膜电极作为钙钛矿电池的阳极和阴极，研究其在不同外界环境和外加偏压作用下的稳定性差异，研究结果表明，当金属电极作为阳极和器件在正向偏压时，碘离子会在内建电场的作用下向空穴传输层处漂移并累积，捕获空穴后反应生成碘蒸气，该气体会透过空穴传输层并对金属电极造成腐蚀；为了提高金属银纳米线电极的抗腐蚀能力，项目将大片径的氧化石墨烯平铺在纳米线电极的表面，使其成为腐蚀性气体的阻隔层，获得具有与商用ITO可比拟透光/导电率的复合透明电极，并应用在钙钛矿太阳能电池中，也获得了较为稳定的性能表现；最后，项目还研究了具有一定热稳定性的beta-DMAxCs1-xPbI2Br钙钛矿薄膜，探究了该薄膜的制备工艺及相稳定的内在机制，基于该薄膜，制备获得了具有高开路电压的光伏器件，本研究成果可以应用于叠层太阳能电池。综上所述，本项目的研究着眼于钙钛矿太阳能电池在商用进程中不可或缺的部分——器件稳定性研究，对于金属电极的稳定性研究只是开端，项目后期拟继续关注影响器件稳定性的各类因素。