眾所周知，鈣鈦礦材料的較差穩(wěn)定性導(dǎo)致鈣鈦礦太陽能電池無法長期穩(wěn)定高效地工作，這也是此種下一代光伏技術(shù)走向大規(guī)模實用的瓶頸。究其原因，鈣鈦礦的不穩(wěn)定與眾多因素有關(guān)，包括濕氣及離子轉(zhuǎn)移、熱或光照下的內(nèi)部不穩(wěn)定性、熱老化及光致化學(xué)反應(yīng)等等。為了控制老化、提升鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性，科學(xué)家們也發(fā)現(xiàn)了幾種方法，包括引入鈣鈦礦/氧化鎳顆粒、成分調(diào)整、使用混合離子合成鈣鈦礦材料、引入碳電極及利用溶劑工程生成高質(zhì)量結(jié)晶等等。

 

最近，韓國全北國立大學(xué)Yoon-Bong Hahn等研究者為了解決由于鈣鈦礦材料降解導(dǎo)致的穩(wěn)定性問題提出一個新方法：基于鈣鈦礦/銀納米顆粒錨定的還原氧化石墨烯（Ag-rGO）復(fù)合物制備鈣鈦礦太陽能電池。他們發(fā)現(xiàn)活性層中的Ag-rGO不僅阻礙破壞性的離子遷移及擴散，而且會加速電荷傳輸及提高器件的熱穩(wěn)定性及光穩(wěn)定性，從而提升鈣鈦礦太陽能電池的長期穩(wěn)定性。

 

 

本文中作者采用的太陽能器件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1a所示，總體還是采用介孔結(jié)構(gòu)的器件結(jié)構(gòu)，截面電鏡示意圖如圖1b所示。因為鈣鈦礦材料中的離子和分子中，碘離子的直徑最小，為0.412 nm，即便如此也不能穿透復(fù)合材料中的晶格常數(shù)為0.246 nm的石墨烯片。石墨烯片的存在可以阻止鈣鈦礦層中的離域離子運動，從而抑制缺陷的產(chǎn)生和降解。圖1c是Ag-rGO阻礙鈣鈦礦碘離子及水分子的示意圖，這也是其提高穩(wěn)定性的精髓！

 

作者對于含Ag-rGO和不含Ag-rGO的鈣鈦礦活性材料進行了加熱老化實驗。結(jié)果表明，加入Ag-rGO后的鈣鈦礦穩(wěn)定性大大提高，而未加入Ag-rGO的鈣鈦礦降解較快，這驗證了作者設(shè)計方案的有效性。

 

作者分別制造了基于鈣鈦礦/Ag-rGO復(fù)合材料以及基于鈣鈦礦的太陽能電池器件，以研究Ag-rGO對于電池性能的影響。加入Ag-rGO的器件，內(nèi)量子效率明顯提高，對應(yīng)著積分電流也隨之增強。未加入Ag-rGO的器件，其反掃的效率會高于正掃的效率，也就是出現(xiàn)了遲滯現(xiàn)象。器件的熱穩(wěn)定性測試中，在加熱到90 ℃條件下，加入Ag-rGO的電池器件明顯具有更好的穩(wěn)定性，80小時后幾乎沒有衰減；相比之下，未加入Ag-rGO的器件性能大幅下降。在持續(xù)光照下，加入Ag-rGO的器件也具有較好的穩(wěn)定性，在3600 s后，器件仍舊具有較好的穩(wěn)定性。此外，在長期穩(wěn)定性實驗中，加入Ag-rGO的電池器件表現(xiàn)非常出色，在環(huán)境條件下330天內(nèi)，性能參數(shù)幾乎沒有變化。

 

圖3. (a) 內(nèi)量子效率曲線, (b) 電流-電壓曲線, (c) 隨著加熱老化時間效率變化, (d) 隨著光照時間變化效率變化曲線。圖片來源：ACS Energy Lett.

 

總之，通過Ag-rGO對鈣鈦礦的摻雜，器件的性能及穩(wěn)定性都雙雙提高，Ag納米顆粒的作用是將其功函提高。Ag-rGO展現(xiàn)了p型的行為，不僅能夠阻擋離子擴散，成為電荷傳輸?shù)挠行ǖ溃铱梢蕴岣唠姵氐墓鉄岱€(wěn)定性。其中特別值得一提的是，長期穩(wěn)定性也得到了明顯的提升。鈣鈦礦太陽能電池如果要實用化，首先要提高穩(wěn)定性，因此該方法為后續(xù)產(chǎn)業(yè)化提供了很好的借鑒。