循环利用纳米多孔金薄膜电极降低钙钛矿太阳能电池制备成本

来源：X一MOL资讯

随着工业文明的快速发展，人类社会出现了随之而来的各种危机——能源极速消耗、环境污染、资源枯竭特别是不可再生能源——促使清洁可再生能源的开发利用成为当今社会主要课题。有机－无机钙钛矿光敏材料作为太阳光利用核心的太阳能电池被誉为最有前景的下一代光电转化器件，引发了一轮新的研究浪潮。

有机－无机钙钛矿太阳能电池的快速发展得益于具有高载流子迁移率和扩散长度、大的光吸收系数、可调光学带隙、低激子结合能和易制备等特性，使得仅仅经过十年时间发展的单结和钙钛矿－硅叠层电池的光电转化效率提升至25.2% 和29.15%。然而，脆弱的光热以及空气长时间稳定性使得器件快速衰减而报废，这无疑带来了材料的浪费。尤其是电极材料，其通常为贵金属金，金电极的单次利用大大增加了制备成本和材料浪费。

基于以上问题，日本京都大学的杨丰桕博士（现：德国亥姆霍兹研究所，博士后研究员）、松田一成（Prof. Kazunari Matsuda）教授、若宫淳志（Prof. Atsushi  Wakamiya）教授联合华东理工大学陈庐阳教授及上海大学王生浩教授，利用纳米薄膜材料的表面特性，设计了多孔金薄膜作为有机－无机钙钛矿太阳能电池的电极材料，此方法不采用传统的高真空镀膜方式，而是将多孔金薄膜直接转移至有机－无机钙钛矿太阳能电池上。其中，将合金薄膜——Au35Ag65——置于69wt％的硝酸溶液中进行6小时腐蚀，去除薄膜中Ag的成分，再用去离子水清洗5次洗尽其中可能残留于孔内的化学物质，所得到的多孔金薄膜如图1a所示。使用该多孔金薄膜的有机－无机钙钛矿太阳能电池获得了19%的高光电转化效率（图1b）。该团队还将金属多孔金薄膜电极应用到柔性有机－无机钙钛矿太阳能电池上，并获得了17.3%的光电转化效率。且柔性太阳能电池能够在5毫米的弯曲半径和1000次的严格弯曲测试下保持98.5%的稳定性，这个弯曲特性远高于普通的蒸镀金电极的钙钛矿太阳能电池，可以与碳材料电极－柔性太阳能电池相媲美。

图1.（a）纳米多孔金薄膜的表面形貌图，插图为多孔金薄膜照片。（b）纳米多孔金制成的器件效率图。

更为重要的是，纳米多孔金薄膜可以循环利用。即使经过多次的循环利用后也能使太阳能电池保持较高的光电转换效率。图2为多孔金薄膜转移－循环利用的过程，其中干燥的无水乙醇作为浸润试剂确保纳米多孔金薄膜成功转移至有机－无机钙钛矿太阳能电池上作为电极材料。纳米多孔金在第二次循环利用时光电转化效率仍保持不变（图3a所示），但对于蒸镀的金电极的器件来说，第二次使用后光电效率发生很大衰减（图3b所示），这表明纳米多孔金在直接转移方法下具有更好的循环利用特性。即使经过12次的循环利用，器件性能也只是轻微的减小且也能保持在14.7%（原始效率为16.5%），如图4所示。优异的循环利用特性得益于纳米多孔金薄膜极高的比表面积和导电特性，从而使得薄膜能够完整的转移至有机－无机钙钛矿太阳能电池上，且在循环利用的环境下保持高的导电特性。

图2.纳米多孔金薄膜的转移－循环再利用过程图示。

图3. 纳米多孔金（a）和蒸镀金（b）在第一次和第二次使用后的器件电流－电压曲线图。插图为第一次和第二次使用的电池器件实物图。

图4.（a）钙钛矿太阳能电池在多孔金薄膜循环利用次数下的电流－电压曲线。（b）循环利用下的光伏参数变化趋势。

多孔金薄膜的循环利用可使器件的制备成本大幅降低，如图5所示。从图5a中，可以看出纳米多孔金电极太阳能电池的制备成本逐渐低于相对应的蒸镀法制备的太阳能电池成本，且随着纳米孔金循环利用的次数增加，该趋势更加显著。同时，贵金属金材料的消耗成本差也随着循环次数的增加而继续扩大，蒸镀消耗的金属金材料甚至达到了纳米多孔金的1000倍以上。由此可见，循环利用可以大幅度降低电池的制备成本，特别是金属材料的消耗。

图5.（a）蒸镀金制备多个电池的制备成本趋势（黑色方形）和纳米多孔金循环利用的电池制备成本趋势（红色圆形）。（b）随着纳米多孔金循环利用次数的增加，贵金属金的消耗趋势对比。

该研究将纳米多孔金薄膜应用到有机－无机钙钛矿太阳能电池制备中，并且实现多孔金薄膜循环再利用。在再循环利用12次的情况下，器件效率仍然保持较好的光电转化特性。该技术对于降低有机－无机钙钛矿太阳能电池的制备成本、降低环境污染和贵金属消耗有着重要的意义，为钙钛矿太阳能电池的制备和应用开辟了新的思路。同时为有机－无机钙钛矿太阳能电池的商业应用提供了更多的可能。

这一最新研究成果近日发表在Advanced Science 上。日本京都大学的杨丰桕博士（现：德国亥姆霍兹研究所，博士后研究员）为第一作者，通讯作者为Kazunari Matsuda、Atsushi Wakamiya和陈庐阳教授。该项成果也申请了发明专利。