导读
据韩国蔚山国立科技大学（UNIST）官网近日报道，该校研究人员开发出一款新型电极，可与大幅提升钙钛矿太阳能电池（PSCs）的稳定性。
背景
1839年，德国矿物学家古斯塔夫·罗斯（Gustav Rose）在俄罗斯中部的乌拉尔山脉上发现了一种之前未曾发现的矿物，他以俄罗斯地质学家 Lev Perovski 的名字将这块矿石命名为“钙钛矿（perovskite）”。
钙钛矿岩石（图片来源：维基百科）
如今，钙钛矿已成为备受关注的一大类半导体材料，并有望成为彻底改变电子器件的关键因素之一。这种材料具有独特的晶体结构，有利于缺陷的扩散迁移，从而具有电催化性、吸光性等诸多卓越的物理化学特性，而且制造起来既简单又便宜。
（图片来源：维基百科）
因此，钙钛矿材料可应用于诸多领域，例如光电子器件、通信器件、自旋电子器件等。尤其是在太阳能电池领域，钙钛矿太阳能电池制造起来更便宜、更绿色，且效率可与硅太阳能电池相媲美。因此，钙钛矿非常有望取代硅成为新一代太阳能电池的候选材料。
钙钛矿太阳能电池（图片来源：UNIST）
创新
近日，韩国蔚山国立科技大学的一支科研团队开发出一款新型电极，可以大幅提升钙钛矿太阳能电池的稳定性。这是由于在金属基电极和钙钛矿薄膜之间插入了一层保护层，可以防止金属诱发的衰减。这一层由石墨烯制成，可以有效地抑制金属和卤素离子的扩散。
（图片来源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）
朴惠成（Hyesung Park）教授以及他在韩国蔚山国立科技大学能源与化工学院的研究团队领导了这一突破性研究。在他们的工作中，研究团队采用一种嵌入铜网格的聚酰亚胺（CEP）薄膜以及一层石墨烯薄片作为保护层（GCEP），开发出一个柔性的金属网格基混合电极平台。
（图片来源：UNIST）
该平台表现出高导电性、卓越的化学稳定性和机械耐用性。他们通过该平台证明了石墨烯所起到的关键作用，即作为保护层来防止金属诱发的衰减，以及电极与钙钛矿层之间的卤素扩展。
这项研究的成果于2020年5月13日发表在《纳米快报（Nano Letters）》的网络版上。
技术
金属氧化物基电极（ITOs）已被用作传统的透明导电电极，但由于其不具备柔性而容易断裂，因此不适合应用于可穿戴设备。特别是在钙钛矿太阳能电池中使用金属基透明导电电极（TCE），主要障碍就是金属和卤素离子在金属电极和钙钛矿层之间相互扩散诱发的衰减。
下图所示：由CEP薄膜和GCEP组成的电极平台。(a) GCEP制造工艺和 (b, c) GCEP的数字图像。
（图片来源：UNIST）
研究人员通过在金属电极/钙钛矿层的界面上插入石墨烯薄片作为保护层，解决了这个问题。石墨烯具有很高的导电性，这使得电子很容易地通过它。然而，石墨烯优异的抗渗性甚至可以阻止最小分子的渗透。
研究团队表示：“如果与具有下列特性的金属纳米结构相结合，石墨烯可以成为一个有效的扩散屏障。这些特性包括在电极/钙钛矿层界面上抵抗金属和卤素离子扩散渗透的卓越性能；提升的跨越金属纳米结构空白间隔的电荷采集性能；由于光学透明度高，作为保护层的透光率损失最小；混合电极所带来的机械耐用性的提升。”
下图所示：基于GCEP的钙钛矿太阳能电池的稳定性。处于下列情况下的标准化能量转换效率（PCE）的衰减：（a）存储方式；（b）不经过紫外线滤光片，在1个标准太阳光强度连续照射下（以及经过紫外线滤光片，在12个标准太阳光强度连续照射下）；（c）在100℃下加热，始终处于氮气填充的手套箱中。
（图片来源：UNIST）
价值
研究人员们使用这种透明柔性的混合电极制备了基于柔性金属透明导电电极的钙钛矿太阳能电池，获得了良好的化学和机械稳定性。该器件达到了较高的能量转换效率（16.4%），可与基于ITO的刚性对应物（17.5%）相媲美。他们还证实了石墨烯层能够通过防止金属和卤素离子的相互扩散，来保证太阳能电池的化学稳定性。此外，GCEP电极通过阻挡紫外线（UV）以及近紫外线，提高了钙钛矿太阳能电池的光稳定性。即使在1000小时后，它还能保持97.5%以上的初始效率。此外，经过5000次弯曲试验之后，它还具有良好的机械耐用性，例如保持94%的初始效率，因此适用于新一代穿戴设备。
论文第一作者郑圭正（Gyujeong Jeong）表示：“这篇论文表明，在金属基电极和钙钛矿薄膜之间插入一层保护层可以防止金属诱发的衰减，并且作为那一层的石墨烯，可以有效地抑制金属和卤素离子的扩散。”
朴教授表示：“这种新方法对钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性都进行了提升。在钙钛矿太阳能电池中，这项工作为设计机械和化学健壮的不含ITO的金属辅助的透明导电电极平台提供了一项有效策略。”
关键词
钙钛矿、太阳能电池、可穿戴、石墨烯
参考资料
【1】Gyujeong Jeong, Donghwan Koo, Jihyung Seo et al., “Suppressed Interdiffusion and Degradation in Flexible and Transparent Metal Electrode-Based Perovskite Solar Cells with a Graphene Interlayer,” Nano Lett., (2020); DOI:10.1021/acs.nanolett.0c00663
【2】https://news.unist.ac.kr/enhancing-the-performance-of-pscs-with-graphene-armor/