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在钙钛矿太阳能电池（PSCs）中，传统上使用昂贵的金或银金属作为背电极以实现高效性能。然而，碳纳米管（CNT）电极凭借其优异的电导率、机械强度和化学稳定性，逐渐成为具有潜力的背电极材料。尽管如此，CNT电极的孔隙率引发了人们对基于CNT的PSCs在光电转换效率（PCE）和稳定性方面的担忧。韩国化学技术研究所(KRICT) Nam Joong Jeon团队在EcoMat发表题为“PTAA-infiltrated thin-walled carbon nanotube electrode with hidden encapsulation for perovskite solar cells”的研究论文，作者采用聚（三芳胺）（PTAA）渗透和背电极隐藏封装的方法，以解决薄壁碳纳米管（TWCNT）电极孔隙率的问题，从而实现高效且高稳定性的器件。低分子量的PTAA能够有效渗透到TWCNT电极中，减少孔隙率，并改善TWCNT层与钙钛矿层之间的界面接触。此外，作者还设计了一种新颖的封装结构，有效防止TWCNT电极暴露在空气和水分中，显著提高了器件的长期稳定性。基于这些策略，采用TWCNT背电极的PSCs实现了19.5%的最佳PCE，并展现出优异的长期稳定性：在AM 1.5G光照下，经过225小时的最大功率点跟踪后，器件保持了96%的初始PCE；在85°C/85%相对湿度环境下，经过916小时后，器件保持了74%的初始PCE。
图1 (A) 薄壁碳纳米管（TWCNT）制备工艺示意图。(B) 薄膜电阻的箱线图，(C) 功函数的箱线图，(D) TWCNT在未渗透PTAA、渗透低分子量PTAA（L-PTAA）、高分子量PTAA（H-PTAA）以及掺氟氧化锡情况下的表面功函数图像（5 μm × 5 μm）。
图2 (A) 基于薄壁碳纳米管（TWCNT）背电极的钙钛矿太阳能电池（PSC）示意图，(B) 未渗透PTAA、渗透低分子量PTAA（L-PTAA）和高分子量PTAA（H-PTAA）的横截面透射电子显微镜图像。红色虚线表示L-PTAA的位置。
图3 钙钛矿太阳能电池（PSC）中分离的薄壁碳纳米管（TWCNT）背电极底面扫描电子显微镜图像：(A, D) 未渗透PTAA，(B, E) 渗透低分子量PTAA（L-PTAA），(C, F) 渗透高分子量PTAA（H-PTAA）。
图4 (A) 基于薄壁碳纳米管（TWCNT）背电极的钙钛矿太阳能电池（PSC）在未渗透PTAA、渗透低分子量PTAA（L-PTAA）和高分子量PTAA（H-PTAA）条件下的J-V特性。(B) 其他典型CNT背电极PSC的光电转换效率（PCE）曲线。(C) VOC和(D) JSC随光强的变化关系。(E) 相应PSC的瞬态光电压和(F) 瞬态光电流衰减曲线。
图5 (A) 采用时间相关单光子计数法测量的时间分辨光致发光。(B) 稳态光致发光发射光谱。(C) 在接近开路电压（VOC）的偏压下，暗态条件下通过电化学阻抗谱测量获得的Nyquist图。(D) 基于薄壁碳纳米管（TWCNT）背电极的空穴单独器件的对数I-V曲线，包括未渗透PTAA和渗透(E) 低分子量PTAA（L-PTAA）以及(F) 高分子量PTAA（H-PTAA）的情况。
图6 (A) 传统和(B) 带隐藏封装的薄壁碳纳米管（TWCNT）背电极示意图。(C) 钙钛矿太阳能电池（PSC）的照片，以及(D) 经过100小时和(E) 200小时85°C/85%相对湿度的湿热测试后的照片。红色方框部分是带有隐藏封装的TWCNT背电极PSC的图像。
图7 (A) 在85°C/85%相对湿度湿热条件下，钙钛矿太阳能电池（PSC）的归一化衰减曲线。(B) 在85°C/85%相对湿热测试后去除渗透低分子量PTAA（L-PTAA）的薄壁碳纳米管（TWCNT）背电极后的X射线衍射图。(C) 该器件的吸收光谱。(D) 在1个太阳LED光照下最大功率点跟踪条件下，带有隐藏封装的L-PTAA渗透PSC的运行稳定性。
总的来说，通过引入L-PTAA渗透涂层和背电极隐藏封装设计成功制备得到基于TWCNT背电极的高效且稳定的钙钛矿太阳能电池（PSCs）。L-PTAA能够更有效地渗透到TWCNT电极内部，从而缓解了由TWCNT一维结构引起的表面接触问题。基于TWCNT背电极的PSCs实现了最高光电转换效率（PCE）19.5%，这一成果归因于良好的能级匹配及通过L-PTAA渗透策略改善了钙钛矿层与TWCNT表面之间的接触。此外，作者设计了带有隐藏封装的TWCNT背电极，防止水分和氧气通过暴露的电极孔隙渗透。结合L-PTAA渗透涂层工艺的新封装策略，显著提高了器件在85°C/85%相对湿度环境下的潮湿稳定性；在916小时的测试后，初始PCE保持了74%。此外，器件在1太阳LED照明下，经过225小时的最大功率点跟踪（MPPT）操作后，PCE仍保持96%的初始值。本工作通过L-PTAA渗透和TWCNT背电极隐藏封装的优化策略，为基于CNT电极的低成本钙钛矿太阳能电池的发展做出了重要贡献。
Eun Chong Chae, You-Hyun Seo, Bong Joo Kang,* Jin Ho Oh, Yeonsu Jung, Jinho Jang, Taehoon Kim, Yong-Ryun Jo, Dong Jun Kim, Taek-Soo Kim, Sang Hyuk Im, Sae Jin Sung, Seong Sik Shin,* Soonil Hong,* Nam Joong Jeon,* PTAA-infiltrated thin-walled carbon nanotube electrode with hidden encapsulation for perovskite solar cells, EcoMat. 2024;6:e12495.
原文链接：https://doi.org/10.1002/eom2.12495
文章来源：能源学人
《钠离子电池技术发展与产业前景研究报告》
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