光照与偏压下钙钛矿电池中金属银电极的稳定性研究

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在钙钛矿太阳能电池中,银(Ag)作为一种常见的金属电极,却容易被钙钛矿分解后的卤族化合物腐蚀,其电阻会随腐蚀程度的加重而增加。因此,本论文以超薄金属银电极为研究对象,将其作为两种常规电池结构中的阴极或阳极,研究工作条件下的电极稳定性,分析了Ag电极被腐蚀的机理,提出器件在工作中存在的稳定性问题。本论文主要工作包括:首先,建立了钙钛矿太阳能电池的一维结构模型,仿真了器件在光照或偏压下的能带、载流子浓度与电势分布。根据仿真结果,对同时施加光照与偏压时器件中载流子与I-的分布进行了预测。其次,制备了具有超薄顶部Ag电极的正式结构电池,研究其在光照和偏压条件下的稳定性。结果表明:对器件施加光照或正偏压均会使Ag电极的横向电阻迅速增加,而反向偏压会减缓电阻的上升。综合样品形貌和成分的表征结果,提出Ag被腐蚀的机制:钙钛矿层表面聚集了I-缺陷,偏压和光照下器件中产生非平衡载流子,界面处载流子和I-缺陷的相互作用影响了金属电极的稳定性。正向偏压降低了钙钛矿/空穴传输层(Hole Transport Layer,HTL)界面的耗尽层厚度,空穴从HTL注入钙钛矿,被界面上的I-俘获产生I2,气态I2透过HTL接触顶部Ag电极并对其造成腐蚀。反向偏压则使耗尽层变宽,降低了I-接触空穴的概率。光照下,钙钛矿层的光生空穴向HTL扩散,此过程中与I-结合产生I2。同时施加光照和正向偏压加剧了I-与累积在界面的空穴结合,而同时施加光照和反向偏压会加速光生空穴和外加电场注入电子的复合,使界面I-接触到空穴的概率降低,界面处产生的I2蒸气减少,金属电极较为稳定。最后,研究了超薄金属银作为反式结构电池底部和顶部电极时的稳定性。实验表明,反式电池的底部电极与正式电池的顶部电极结果类似,而反式电池的顶部电极在正向偏压或光照下更稳定,因为正向偏压削弱了钙钛矿/电子传输层(Electron Transport Layer,ETL)界面的耗尽层,光照条件下电子从钙钛矿层向ETL扩散。同时施加光照与正向偏压时,大量电子会经过钙钛矿/ETL界面,I-难以被氧化。当器件处于反向偏压时Ag稳定性下降,是因为变大的内建电场驱使钙钛矿内部I-向钙钛矿/ETL界面漂移,捕获少量的空穴反应生成I2。同时施加光照与反向偏压时,界面处的I-捕获外界注入的空穴生成I2蒸气,加剧了对Ag电极的腐蚀。
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