华东师大《Science》子刊：一种化学防腐策略！提升金属电极稳定性
长寿命倒置钙钛矿太阳能电池(PSCs)面临的一大挑战是，常用的金属电极与钙钛矿层发生反应，导致电极腐蚀和器件退化。近日，来自华东师范大学的Junfeng Fang等研究者，在金属防腐理念的启发下，提出了一种化学防腐策略，通过在铜电极沉积前引入苯并三唑(BTA)的典型有机缓蚀剂来制备稳定的倒置PSCs。相关论文以题为“Chemical anti-corrosion strategy for stable inverted perovskite solar cells”发表在Science Advances上。
论文链接：
https://advances.sciencemag.org/content/6/51/eabd1580
由于非凡的光电特性，目前钙钛矿太阳能电池(PSCs)已经达到了25%以上的效率。在设备商业化之前，设备的稳定性将成为下一个亟需解决的大挑战。稳定性问题不仅出现在钙钛矿层中，也出现在金属电极中，尤其是倒置的钙钛矿层。研究表明，通过探索PSCs的自降解过程，揭示了金属电极的腐蚀是本征器件降解的主要原因。
一方面，钙钛矿的分解产物(如HI、I2)可与PSCs中常用的金属电极(Al、Ag、Cu)发生反应，根据化学反应平衡规律进一步加速钙钛矿的分解，在黑暗中放置一段时间后，效率可以完全恢复，因此在光照下是否可逆可能并不会导致器件永久性的退化。然而，一旦迁移离子(I-)与金属电极反应，这一可逆过程将被打破。因此，PSCs的不可逆降解远远早于钙钛矿层的降解。此外，这也是为什么，一半的PSCs(没有传输层或金属电极)的寿命通常比满的PSCs长得多的一个重要原因。
尽管在真实的倒置PSCs中，PCBM([6,6]-苯基-C61丁酸甲酯)的电子传输层通常位于金属电极和钙钛矿层之间，钙钛矿中的碘离子可以扩散穿过PCBM层，但仍与金属电极发生反应，从而引起上述电极腐蚀。为了制备稳定的PSCs，通常采用物理分离的方法，在钙钛矿与金属电极之间引入额外的扩散障碍，如碳量子点、氧化石墨烯、石墨化碳氮化和交联聚合物等。这些屏障可以有效地延缓电极腐蚀，延长器件的稳定性。然而，PSCs的长期稳定性问题仍然存在，因为碘容易通过这些屏障扩散，特别是在热或光照条件下。因此，为了进一步提高器件的稳定性，必须克服金属电极与钙钛矿发生化学反应引起的电极腐蚀。
金属腐蚀，不仅普遍存在于PSCs中，还存在于电子工业、通信和船舶设备中。为了避免这种腐蚀，最有效的方法之一是通过使用有机抑制剂进行化学腐蚀。其中苯并三唑(BTA；图1A)是最常用的抑制剂之一，特别是对卤素介质中的金属铜(例如Cl−)。
在这种防腐理念的启发下，研究者在倒置PSCs中引入了BTA层，以避免电极腐蚀，从而提高设备稳定性(图1A；BTA在PCBM/C60/TPBi表面自旋包覆)。BTA分子与Cu电极发生化学配位，形成了不溶的[BTA-Cu]聚合物膜，抑制了钙钛矿与Cu电极之间的电化学腐蚀和反应。含BTA/Cu的PSCs，具有良好的空气稳定性，时效2500 h后仍保持92.8±1.9%的初始效率。此外，在85°C老化1000小时以上，仍能保持>90%的初始效率。BTA/Cu的PSCs也表现出良好的运行稳定性，连续跟踪1000 h的最大功率点，仍能保持88.6±2.6%的初始效率。
图1 BTA防腐的工作机理。
图2 BTA的电化学腐蚀表征。
图3 在富I气氛中铜的腐蚀。
图4 器件老化对PSCs铜电极腐蚀的影响。
图5 长期稳定性。
图6 离子迁移诱发电极腐蚀。
综上所述，研究者通过引入一种典型的BTA有机抑制剂，展示了一种化学防腐策略，来制备稳定的倒置PSCs。BTA与Cu电极发生化学配合，形成[BTA-Cu]的不溶性聚合物膜，从而增强了Cu电极在空气、热或操作条件下的耐腐蚀能力。所得到的PSCs具有良好的运行稳定性，在连续光照下进行1000小时MPP跟踪后，保持了88.6±2.6%的初始效率。该工作强调了电极腐蚀在器件稳定性中的作用，并提出了一种制备稳定倒置PSCs的有效方法。在今后的研究中，结合钙钛矿层优化，一旦克服了电极腐蚀的问题，倒置PSCs的稳定性将进一步提高。（文：水生）