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長(zhǎng)期穩(wěn)定性仍然是阻礙鈣鈦礦太陽(yáng)能電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的關(guān)鍵。影響穩(wěn)定性的關(guān)鍵：

1. 鹵化物鈣鈦礦自身的分解或相變，例如有機(jī)組分MA⁺或FA⁺的熱揮發(fā)，離子移動(dòng)的累積帶來(lái)的材料分解，與H₂O和O₂的化學(xué)反應(yīng)；

2. 常用有機(jī)半導(dǎo)體界面材料的變性，例如熱結(jié)晶或與H₂O和O₂的化學(xué)反應(yīng)；

3. 常用金屬電極材料與鈣鈦礦間的腐蝕反應(yīng)，絕對(duì)致密的界面層具有阻隔作用，但仍然具有離子滲漏導(dǎo)致反應(yīng)的隱患。

需要強(qiáng)調(diào)的是，鹵化物鈣鈦礦材料對(duì)幾乎所有金屬都具有強(qiáng)腐蝕性，文獻(xiàn)中常見的Au，Ag，Cu，Al，Cr等電極材料都會(huì)與鹵化物鈣鈦礦在一定老化條件下（光、熱、偏壓、氣氛）發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)（作用）。隨著電池器件老化時(shí)間的延長(zhǎng)，被腐蝕的金屬電極會(huì)穿過界面層，慢慢滲透到鈣鈦礦活性層的內(nèi)部，對(duì)鈣鈦礦薄膜形成摻雜而導(dǎo)致深能級(jí)缺陷的產(chǎn)生，這是器件性能不可逆蛻化的一個(gè)重要路徑。

圖1：金屬與鈣鈦礦之間的化學(xué)反應(yīng)。（a）MAPbI₃/Bi,MAPbI₃/Au, MAPbI₃/Cu, MAPbI₃/Ag 和MAPbI₃等樣品熱老化前后Pb4f的XPS譜（b）化學(xué)反應(yīng)路徑示意圖（c）不同金屬對(duì)鈣鈦礦的內(nèi)滲透機(jī)理示意圖（d）直接在各種鈣鈦礦（從左至右MAPbI₃, (MAFA)Pb(IBr)₃, (FACs)Pb(IBr)₃,(FAMACs)Pb(IBr)₃）上沉積40nm Cu/Bi/Ag等金屬在85°C老化48小時(shí)后的光學(xué)照片。

華中科大陳煒教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海交大的韓禮元教授，報(bào)道了一種通過半金屬鉍界面層提高穩(wěn)定性的簡(jiǎn)便策略。鉍界面層可以低溫廉價(jià)的熱蒸鍍制備，在放大生產(chǎn)時(shí)，不會(huì)增加工藝制程的復(fù)雜性，也不會(huì)增加成本。這種半金屬鉍具有獨(dú)特的抗鹵素腐蝕的性能，研究證實(shí)鉍可以與鹵化物鈣鈦礦直接接觸而不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這在元素周期表當(dāng)中幾乎是獨(dú)一無(wú)二的。并且鉍具有二維晶體結(jié)構(gòu)，其低溫蒸鍍的薄膜以二維層狀生長(zhǎng)，晶界較少、形貌致密，在電池結(jié)構(gòu)當(dāng)中引入鉍界面層，既可以防止鈣鈦礦外部水分的侵入，又可以保護(hù)金屬電極免受鈣鈦礦碘蒸汽（離子）的腐蝕?；阢G界面的器件在受到濕度、熱和光應(yīng)力時(shí)，表現(xiàn)出極大改善的穩(wěn)定性。未封裝的器件在黑暗環(huán)境中保持其初始效率的88％超過6000 小時(shí)。在氮?dú)夥諊拢?5℃暗態(tài)熱老化和最大功率點(diǎn)持續(xù)光照老化500小時(shí)后，器件分別保持其初始效率的95％和97％。該工作是解決鈣鈦礦太陽(yáng)能電池材料體系中金屬電極不穩(wěn)定性的一個(gè)重要進(jìn)展。消除金屬電極的不穩(wěn)定隱患，對(duì)于逐步解決鈣鈦礦電池器件的整體穩(wěn)定性問題具有重要意義。

圖2：電池結(jié)構(gòu)示意圖與掃描電鏡照片

目前所有報(bào)道的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池穩(wěn)定的電極體系包括三種：

1. 碳電極（代表工作包括華中科技大學(xué)韓宏偉的印刷介孔電池、香港科技大學(xué)楊世和教授采用的低溫碳膜技術(shù)），

2. 透明導(dǎo)電氧化物（代表工作包括美國(guó)斯坦福大學(xué)McGehee團(tuán)隊(duì)，英國(guó)Snaith支持的Oxford PV和我國(guó)保利協(xié)鑫采用的疊層電池所需的透明頂電極），

3. 我們所發(fā)展的Bi基穩(wěn)定金屬電極體系。

氣相法成膜的金屬薄膜（界面）質(zhì)量以及高電導(dǎo)率與碳和透明導(dǎo)電氧化物兩種方案相比會(huì)有優(yōu)勢(shì)，我們提出的第三種穩(wěn)定金屬電極方案的性能優(yōu)勢(shì)仍需要一定的時(shí)間才能被充分論證。這依賴于可證明的器件高效率和高穩(wěn)定性。

圖3：未封裝器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。（a）器件在大氣環(huán)境暗態(tài)保持6000小時(shí)的穩(wěn)定性；（b）N₂手套箱中85攝氏度暗態(tài)老化500小時(shí)的穩(wěn)定性；（c）N₂手套箱中45攝氏度持續(xù)光照老化500小時(shí)的穩(wěn)定性。

該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51672094），國(guó)際合作項(xiàng)目（51861145404），優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目（51822203）和華中科技大學(xué)自主創(chuàng)新基金（2016JCTD111）等項(xiàng)目的資助。華中科技大學(xué)陳煒教授和上海交通大學(xué)韓禮元教授為論文共同通訊作者，華中科技大學(xué)吳紹航博士后、博士生陳銳、張沙沙博士后為論文共同一作。