一、 【导读】  

随着钙钛矿太阳能电池的快速发展，降低其制造成本已成为商业化的突出挑战。目前，由于金（Au）具有兼容的功函数和优异的导电性，其被广泛应用于n-i-p结构钙钛矿太阳能电池的背电极。然而，金的高成本（~$60/g）以及对于真空沉积设备（约占生产线设备总投资的50%）的依赖却阻碍了其大规模产业化和商用化。而该文报道的新型双层背电极结构将兼容的功函数和优异的导电性能分别赋予镍掺杂的天然石墨和低温合金两层。此双层背电极结构可通过简单的低温刮涂进行制备，并且原料为天然石墨和常见金属。在有效规避了价格高昂和耗能的真空设备的使用的同时，也简化了背电极产业化生产的难度。最终所制备的钙钛矿太阳能电池功率转换效率可达到21.0%。组合利用具有兼容功函数的镍掺杂天然石墨和导电性能良好的低温合金，其低廉的材料成本和可以兼容涂布机的简单制造过程为钙钛矿太阳能电池的低成本工业化提供了有力的解决方案。

二、【成果掠影】

近日，美国北伊利诺伊Tao Xu 团队和美国国家可再生能源实验室（NREL）Kai Zhu 团队合作在ACS Energy Letter 上发表研究论文。该合作团队通过开发一种由镍粉掺杂的天然石墨层和低熔点铋铟合金组成的新型双层背电极结构，利用石墨烯层之间的平面特性和松散的键合特性，石墨层可以通过物理摩擦，无损地附着并覆盖于spiro-OMeTAD空穴传输层（HTL）上。同时，在石墨中掺杂金属镍粉可以显著防止顶部合金层向石墨层的渗入，从而确保石墨层的材料完整性，和优化石墨层的功函数，并使其与spiro-OMeTAD HTL的费米能级对齐, 再利用铋铟合金的电导率优势传导电荷。最重要的是，比起高昂的金电极价格（~$60/g），该石墨/铋铟合金双层电极只需1/50的材料成本，可进一步有效降低钙钛矿器件的整体生产费用。最后，研究人员制备了基于此双层背电极的杂化钙钛矿太阳电池器件。基于FAPbI₃的双层背电极器件拥有21.0%的PCE，显著高于同为无蒸镀工艺的碳电极器件性能。该双层背电极结构为低成本、无需机械压力、无需真空沉积过程的钙钛矿太阳能电池技术铺设了实用化道路。相关研究文章以“Nickel-Doped Graphite and Fusible Alloy Bilayer Back Electrode for Vacuum-Free Perovskite Solar Cells”为题发表在ACS Energy Letters上。

 三、【核心创新点】

该文提出了一种创新性双层结构背电极，其由一层低成本的镍粉掺杂天然石墨层和一层低熔点金属合金层组成，其中镍参杂石墨的合适的功函数有利于界面载流子提取和而高电导率的合金层则有利于电荷输运。除了避免使用昂贵的金作为背电极之外，由于石墨对HTL层的强附着性和低温合金的可熔性，电极制备可以很便利地在普通空气环境中通过简单涂布工艺实现，而不涉及任何复杂的真空沉积过程。同时，本工作所应用的石墨层为天然石墨材料，而非具有复杂组分配比的纳米碳材料。此技术有望大幅降低材料成本、基础设施投资和工艺扩展性，以加速钙钛矿太阳能电池的工业化和商业化进程。”

 四、【数据概览】

图1 双层背电极的杂化钙钛矿太阳电池器件示意图以及双层背电极刷涂过程© 2023 American Chemical Society

图2 基于石墨/低温合金双层背电极的钙钛矿太阳能电池性能和能级表征© 2023 American Chemical Society

图3 创新性掺镍石墨/低温合金作为背电极和传统金电极器件和稳定性对比© 2023 American Chemical Society

五、【成果启示】

本工作开发了一项无需使用真空蒸镀设备和基于低成本材料的涂布工艺来制备钙钛矿太阳能电池的背电极，其比起现今最成熟的无真空蒸镀碳电极电池拥有更优异的器件性能。因此，该研究成果为实现低成本、高效率和可用于高通量制造的钙钛矿太阳能电池商用化进程提供了适配的技术路线。

原文详情：Nickel-Doped Graphite and Fusible Alloy Bilayer Back Electrode for Vacuum-Free Perovskite Solar Cells, ACS Energy Letters, 2023, 8, 2940-2945.

DOI: 10.1021/acsenergylett.3c00852