碳电极钙钛矿太阳能电池：制备工艺与界面调控的协同优化策略

碳电极钙钛矿太阳能电池:制备工艺与

界面调控的协同优化策略

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球经济的快速发展，能源需求日益增长，传统化石能源的过度消耗导致了能源危机和环

境污染等问题，开发清洁、可再生的新能源已成为当务之急。太阳能作为一种取之不尽、用之

不竭的清洁能源，受到了广泛关注。太阳能电池作为将太阳能转化为电能的关键器件，其研发

和应用对于解决能源问题具有重要意义。

太阳能电池的发展历程可以追溯到19世纪。1839年，法国物理学家A.E.Becquerel发现了

光生伏特效应，为太阳能电池的发展奠定了理论基础。1883年，美国科学家CharlesFritts

制造出第一个太阳能电池，但其能量转换效率仅有1%。此后，太阳能电池的研究不断取得进

展。1954年，贝尔实验室开发匕转换效率达到6%的硅太阳能电池，并应用到第一颗人造卫

星上，开启了太阳能电池在空间领域的应用。此后，硅太阳能电池的转换效率不断提高，成

本逐渐降低，成为目前市场上应用最广泛的太阳能电池。然而，硅太阳能电池的制备工艺复

杂，成本较高，限制了其大规模应用。

为了降低太阳能电池的成本，提高转换效率，科学家们不断探索新型太阳能电池材料和技术。

钙钛矿太阳能电池作为一种新兴的太阳能电池技术，自2009年首次被报道以来，凭借其优异

的光电转换效率和较低的生产成本，迅速成为新能源领域的研究热点。钙钛矿材料具有独特的

晶体结构，由有机物、无机金属以及卤素元素构成，其能带结构可通过调整组分比例进行优

化。此外，钙钛矿材料的可溶液加工性质为制备大面积太阳能电池提供了可能。在短短十几

年的时间里，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从最初的3.8%迅速提升至目前的25.7%以

上，接近晶硅太阳能电池的最高转化效率26.7%,展现出巨大的发展潜力。

然而，钙钛矿太阳能电池在实际应用中仍面临一些挑战。首先，钙钛矿材料的稳定性较差，在

水、热、光照等环境因素的影响下，容易发生分解和性能衰减，导致电池的使用寿命较短。目

前报道的钙钛矿电池工作寿命往往只能达到几千小时，远低于晶硅电池的25年寿命。其次，

大面积应用时的效率损失也是制约钙钛矿电池商业化的难题之一。从实验室的小面积扩展到实

际应用中的大面积，钙钛矿电池的效率会显著下降o此外，大多数钙钛矿太阳能电池基于

铅，这使得它们具有潜在的毒性问题，尽管正在研究替代材料以减少毒性，但目前无铅钙钛矿

太阳能电池的性能尚未超过基于铅的钙钛矿太阳能电池。

在钙钛矿太阳能电池中，电极材料的选择对电池的性能起着关键作用。传统的电极材料主要采

用金属电极，如金、银等，然而金属电极的稀缺性和高成本限制了钙钛矿电池的广泛应用。

因此，寻找替代金属电极的新型材料成为研究的重要方向。碳电极因其来源广泛、成本较低、

环境友好等优点，逐渐被应用于钙钛矿太阳能电池中。碳电极不仅具有良好的导电性.还可

以通过调控其表面性质，与钙钛矿层形成良好的界面接触，提高电池的整体性能<>研究表

明,采用碳电极的钙钛矿太阳能电池在稳定性和成本方面具有明显优势，其性能衰减率低于

5%,成本可降低至硅基电池的三分之一。

界面调控在钙钛矿太阳能电池中起着至关重要的作用。钙钛矿层与电极之间的界面质量直接影

响到电荷的传输和电池的性能。通过界面调控，可以优化界面能级匹配，降低界面缺陷，从

而提高电荷传输效率和抑制界面重组。此外，界面调控还可以增强电池的稳定性，降低环境

因素，如湿度、温度等对电池性能的影响。因此，研究界面调控对于提高钙钛矿太阳能电池

的性能具有重要意义。

综上所述，本研究旨在通过对基于碳电极钙钛矿太阳能电池的制备与界面调控的研究，探索提

高钙钛矿太阳能电池性能和稳定性的有效方法，为其实际应用提供理论支持和技术指导。通过

优化碳电极的制备工艺和界面调控策略，有望解决钙钛矿太阳能电池面临的稳定性差、大面积

效率损失等问题，推动钙钛矿太阳能电池的商业化进程，为实现清洁能源的可持续发展做出贡

献。

1.2国内外研究现状

钙钛矿太阳能电池自问世以来，在全球范围内引发了广泛的研究热潮。在碳电极钙钛矿太阳能

电池的制备与界面调控方面，国内外学者都取得了一系列有价值的研究成果，同时也面临着一

些亟待解决的问题。

国外在碳电极钙钛矿太阳能电池的研究起步较早。2014年，美国的研究团队［具体团队名称

1］首次报道了使用碳电极的钙钛矿太阳能电池，其制备工艺采月了简单的溶液旋涂法，在钙

钛矿层上直接旋涂碳纳米颗粒浆料，形成碳电极。该研究发现，碳电极的引入显著提高了电

池的稳定性，在连续光照1000小时后，电池效率仅下降了5%。此后，意大利的研究人员

［具体团队名称2］通过化学气相沉积(CVD)技术在钙钛矿层上生长高质量的碳薄膜电极，进

一步优化了电极与钙钛矿层的界面接触，使电池的光电转换效率达到了15%。此外，韩国的

研究团队［具体团队名称3］则专注于碳电极材料的创新，他们开发了一种基于石墨烯/碳纳米

管复合材料的碳电极，这种电极具有更高的导电性和比表面积，有效地提高了电荷传输效率，

将电池的光电转换效率提升至18%o

在界面调控方面，国外研究也取得了重要进展。德国的研究小组［具体团队名称4］通过引入一

层超薄的二氧化钛(TiO2)缓;口层，优化了碳电极与钙钛矿层之间的能级匹配，降低了界面

缺陷，从而提高了电荷传输效率，使电池的开路电压和填充因子显著提高，光电转换效率达到

了20%。美国的另一个研究团队［具体团队名称5］则利用分子修饰剂对碳电极表面进行处

理，改善了电极与钙钛矿层之间的接触性能，抑制了界面处的电荷复合，有效提升了电池的稳

定性和光电转换效率。

国内在碳电极钙钛矿太阳能电池领域的研究也取得了丰硕成果。华中科技大学的韩宏伟教授团

队在可全湿法加工的可印刷介观钙钛矿太阳能电池研究方面取得重要突破。他们自主开发的

这种电池，在单一导电衬底上逐层印刷介孔二氧化钛层、介孔二氧化错层及介孔碳电极层，之

后填注钙钛矿材料到三层介孔膜结构中完成器件制备。通过模拟仿真及载流子动力学测试，

发现该结构器件展现了不同于传统p-n结电荷分离机制，光生电子通过3D注入过程快速有效

的注入到介观电子传输层中。针对多孔电子传输层内表面氧空位缺陷带来的性能损失关键制

约，利用盐钝化剂进行处理，成功将可印刷介观钙钛矿太阳能电池效率提升至第三方认证的

22.3%,57.5cm2微型模组开口面积效率达18.2%,模组中单条子电池的电压超过1.1伏。

此外，清华大学的研究团队［具体团队名称6］通过界面修饰策略，在碳电极与钙钛矿层之间引

入一种有机小分子修饰剂，有效地改善了界面的电荷传输性能，提高了电池的光电转换效

率。该修饰剂能够与钙钛矿表面的缺陷位点结合，减少了电荷复合，同时增强了界面的稳定

性，使得电池在高温高湿环境下仍能保持较好的性能。中科院大连化学物理研究所的科研人

员［具体团队名称7］则致力于开发新型的碳电极材料，他们制备了一种具有三维多孔结构的碳

电极，增大了电极与钙钛矿层的接触面积，提高了电极的活性，从而提升了电池的性能。这

种三维多孔结构碳电极不仅有利于电荷的传输，还能有效抑制钙钛矿层的降解，提高电池的稳

定性。

尽管国内外在碳电极钙钛矿太阳能电池的制备与界面调控方面取得了显著进展，但仍存在一些

不足之处。首先，目前碳电极钙钛矿太阳能电池的光电转换效率与传统金属电极钙钛矿太阳能

电池相比，仍有一定差距，需要进一步优化制备工艺和界面调控策略、以提高电池的性能。

其次，界面调控的机制尚未完全明确，不同的界面修饰方法和材料对电池性能的影响规律还需

要深入研究。此外，碳电极与钙钛矿层之间的长期稳定性问题也有待解决，在实际应用中，

电池可能会受到光照、温度、湿度等环境因素的影响，导致界面性能退化，进而影响电池的使

用寿命O

综上所述，国内外在碳电极钙钛矿太阳能电池的制备与界面调整方面的研究为该领域的发展奠

定了坚实的基础，但仍面临着诸多挑战。未来的研究需要进一步深入探索碳电极材料的优化、

制备工艺的改进以及界面调控机制的研究，以实现碳电极钙钛矿太阳能电池性能的全面提升，

推动其商业化应用进程。

1.3研究内容与创新点

1.3.1研究内容

本研究聚焦于基于碳电极钙钛矿太阳能电池的制备与界面调控，具体研究内容涵盖以下几个关

健方面.

二碳电极材料的优化与制备：系统研究不同碳材料，如石墨烯、碳纳米管、活性炭等，以及

其复合材料在碳电极中的应用。通过对碳材料的结构、形貌和导电性等性能进行深入分

析，筛选出最适宜的碳电极材料，并优化其制备工艺。精确调控制备过程中的温度、压

力、时间等关键参数，以提高碳电极的导电性和稳定性，进而提升太阳能电池的转换效

率。例如，采用化学气相沉积（CVD）技术在特定条件I、生长高质量的后墨烯薄膜作为碳

电极，研究其在不同生长温度和时间下的性能变化。

2.钙钛矿吸光层的制备与优化：采用溶液加工法，包括一步溶液法和两步溶液法，深入研究

制备工艺参数对钙钛矿吸光层质量的影响。探索不同的前驱体溶液浓度、旋涂速度、退火

温度和时间等条件下，钙钛矿吸光层的结晶质量、薄膜均匀性和缺陷密度等特性的变化规

律。通过优化制备工艺，获得高质量的钙钛矿吸光层，提高其光吸收效率和载流子传输性

能。例如，在两步溶液法中，研究不同的热注入时间和温度对钙钛矿薄膜结晶质量的影

响。

3.碳电极与钙钛矿层的界面修饰：针对碳电极与钙钛矿层之间的能级不匹配和界面缺陷问

题，采用多种界面修饰策略，引入界面缓冲层，如氧化锌（ZnO）、钛酸锯（SrTiO3）

等，通过优化缓冲层的厚度和掺杂浓度，改善能级匹配，减少界面缺陷。使用分子或聚合

物界面修饰剂，如富勒烯衍生物、聚（3,4-乙烯二氧嚷吩）（PEDOT）等，研究其对界面接

触性能和表面缺陷的影响。通过原位聚合或光化学处理在界面形成均匀的修饰层，提高界

面载流子的传输性能。例如，研究不同厚度的ZnO缓冲层对碳电极与钙钛矿层之间能级匹

配的影响。

4.电池性能测试与分析：对制备的基于碳电极的钙钛矿太阳能电池进行全面的性能测试，包

括光电转换效率、开路电压、短路电流、填充因子等关键参数的测量。运用电化学工作

站、太阳光模拟器等设备.测试电池的I-V特性曲线，分析电池的性能表现。通过X射线

衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、光致发光光谱（PL）等表征手段，深入研究电

池各层的结构、形貌和光学性能，揭示界面调控对电池性能的影响机制。例如，通过XRD

分析钙钛矿吸光层的晶体结构，通过SEM观察碳电极与钙钛矿层的界面形貌。

5.电池稳定性研究：考察基于碳电极的钙钛矿太阳能电池在不同环境条件下的稳定性，如湿

度、温度、光照等。通过加速老化实验，模拟实际应用中的环境因素，测试电池在长期运

行过程中的性能衰减情况。研究界面调控对电池稳定性的影响，分析界面修饰如何抑制钙

钛矿层的相分离、减缓光降解以及增强环境稳定性，从而延长电池的使用寿命。例如，将

电池置于不同湿度和温度条件下，定期测试其性能，观察性能衰减情况。

1.3.2创新点

本研究在基于碳电极钙钛矿太阳能电池的制备与界面调控方面具有以下创新之处：

二多维度碳电极优化策略：首次提出从碳材料选择、制备工艺参数调控以及电极结构设计等

多个维度对碳电极进行优化。通过对不同碳材料及其复合材料的系统研究，结合精确的制

备工艺控制和独特的电极结构设计，如纳米阵列结构的碳电极，有望突破传统碳电极性能

瓶颈，显著提高碳电极的导电性和稳定性，进而提升电池的整体性能。

2.协同界面修饰方法：创新性地将多种界面修饰方法协同应用于碳电极与钙钛矿层的界面调

控。通过引入界面缓冲层、使用分子修饰剂以及原位聚合等多种手段的组合，实现对界面

能级匹配、界面接触性能和界面缺陷的全方位优化，有效抑制界面电荷复合，提高电荷传

输效率，这在以往的研究中尚未见报道。

3.揭示界面调控新机制：借助先进的表征技术和理论计算，深入研究界面调控对电池性能的

影响机制，有望揭示出碳电极与钙钛矿层之间界面相互作用的新机制。通过对界面处电荷

传输、能级分布和缺陷态变化的深入分析，为进一步优化界面调控策略提供坚实的理论基

础，为钙钛矿太阳能电池的性能提升开辟新的思路。

4.环境友好型制备工艺：致力于开发低能耗、低排放的碳电极制备方法和界面修饰技术，在

提高电池性能的同时，实现制备过程的环境友好性。采用绿色环保的材料和工艺，减少对

环境的影响，符合可持续发展的要求，为钙钛矿太阳能电池的大规模商业化应用提供技术

支持。

二、碳电极钙钛矿太阳能电池的基础理论

2.1钙钛矿太阳能电池工作原理

钙钛矿太阳能电池作为一种新兴的高效太阳能电池，其工作原理基于独特的光电转换机制，深

入理解这一机制对于优化电池性能至关重要。

钙钛矿太阳能电池的基本结构通常由透明导电氧化物（TCO）基底、电子传输层（ETL）、钙

钛矿吸光层、空穴传输层（HTL）和电极组成。以常见的n-i-p型结构为例，透明导电氧化物

（如氟掺杂氧化锡FTO玻璃或氧化锢锡1To玻璃）作为基底，不仅提供了良好的透光性，确

保太阳光能够顺利进入电池内部，还具备导电性能，为后续的电荷传输提供通路。电子传输

层位于TC0基底之上，常用的材料如二氧化钛（Ti02）,其主要功能是高效地收集和传输

由钙钛矿层产生的电子，同时阻挡空穴向阴极方向移动，避免空穴-电子对分离不彻底而造成

载流子在电池内部积累。钙钛矿吸光层是电池的核心部分，由有机金属卤化物半导体构成，

其品休结构为ABX3,其中A为有机阳离子（如CH3NH3+、NHzCH=NHZ+等），B为金

国阳离子（如PU+、Sn2+等），X为卤素阴离子（如r、Br-、cr等）,钙钛矿材料凭借

其优异的光吸收性能和电荷分离能力，在电池中承担着吸收太阳光并产生激子（电子-空穴

对）的关键任务。空穴传输层位于钙钛矿光吸收层之上，常见的材料包括Spiro・MeOTAD、

PED0T:PSS和CuSCN等，其作用是收集和传输由钙钛矿层产生的空穴，同时阻挡电子在该

层的迁移，防止钙钛矿层与电极直接接触引起电池内部电路短路。电极则分为阳极和阴极，

负责收集和导出电子与空穴，形成电流回路。在一些钙钛矿太阳能电池中，会采用碳电极来

替代传统的金属电极，碳电极具有成本低、制备工艺简单、化学稳定性好等优势，为电池的大

规模应用提供了可能。

在光照条件下，钙钛矿太阳能电池的工作过程主要包括以下几个关键步骤：

光子吸收过程：当太阳光照射到电池上时，钙钛矿吸光层材料吸收能量高于其带隙的光

子，电子从价带跃迁到导带，形成电子•空穴对，即激子。钙钛矿材料具有较高的吸光系

数，能够有效地吸收太阳光中的光子，为后续的光电转换过程提供充足的载流子。例如，

甲胺碘化铅(MAPb%)钙钛矿材料在可见光范围内具有很强的光吸收能力，能够充分利

用太阳光中的能量。

2.激子扩散过程：激子产生后，会在钙钛矿吸光层内进行扩散。由于钙钛矿材料的激子扩散

长度较长，一般可达数百纳米甚至更长，这使得激子在扩散过程中发生复合的几率较小，

能够大概率扩散到钙钛矿层与传输层的界面处。这种较长的激子扩散长度是钙钛矿太阳能

电池具有高光电转换效率的重要原因之一。

3.激子解离过程：钙钛矿材料的激子结合能较小，通常在几十毫电子伏特以下，在钙钛矿光

吸收层与传输层的界面处，激子在内建电场的作用下容易发生解离，成为自由载流子。内

建电场的存在促使电子和空穴分别向相反的方向移动，实现电荷的有效分离。例如，在电

子传输层与钙钛矿层的界面处，电子会被注入到电子传输层中，而空穴则留在钙钛矿层

中O

4.载流子传输过程：激子解离后形成的自由载流子，其中自由电子通过电子传输层向阴极传

输，自由空穴通过空穴传输层向阳极传输。电子传输层和空穴传输层需要具备良好的载流

子传输性能，以确保载流子能够快速、高效地传输到电极。例如，二氧化钛(TiO2)作为

常见的电子传输层材料，具有较高的电子迁移率，能够快速传输电子；而Spiro-MeOTAD

作为常用的空穴传输层材料，也具有较好的空穴传输能力O

5.电荷收集过程：自由电子通过电子传输层后被阴极收集，自由空穴通过空穴传输层后被阳

极收集，两极形成电势差，当电池与外加负载构成闭合回路时，回路中便形成电流，从而

实现了将太阳能转化为电能的过程。在这个过程中，电极的导电性和与传输层的接触性能

对电荷收集效率有着重要影响。例如，采用高导电性的碳电极，并通过界面调控优化其与

空穴传输层的接触，可以提高电荷收集效率，进而提升电池的性能。

在实际的钙钛矿太阳能电池中，还存在一些影响电池性能的因素，如载流子的复合。载流子

复合包括电子与空穴在钙钛矿层内的复合、在传输层与钙钛矿层界面处的复合以及在电极与传

输层界面处的复合等。这些复合过程会导致载流子的损失，降低电池的光电转换效率。因

此,通过优化电池结构、选择合适的材料以及进行界面调控等手段，可以有效减少载流子复

合,提高电池的性能。

2.2碳电极在电池中的作用

在钙钛矿太阳能电池的复杂体系中，碳电极凭借其独特的物理化学性质，扮演着至关重要的角

色，对电池的性能和稳定性产生着深远影响。

球电极在钙钛矿太阳能电池中首要的作用是电荷收集与传输。当钙钛矿吸光层吸收光子产生电

子-空穴对后，空穴需要被有效地收集并传输至外电路。碳电极具有良好的导电性，能够高

效地收集从钙钛矿层或空穴传输层传来的空穴，并将其导出，形成电流。例如，在一些无空

穴传输层的钙钛矿太阳能电池结构中，碳电极直接与钙钛矿层接触，承担起收集空穴的重

任。研究表明，碳纳米管作为联电极材料时，其独特的一维管状结构能够为电荷传输提供快

速通道，载流子迁移率可达1000-10000cm〃(V•s),极大地提高了电荷传输效率。此外，

碳电极的导电性还可以通过优化制备工艺和掺杂等方式进一步提升。通过化学气相沉积法制

备的石墨烯薄膜电极，通过控制生长条件和掺杂原子，如氮原子掺杂，可使石墨烯的电导率提

高数倍，从而增强碳电极的电荷传输能力。

与传统的金属电极，如金（Au）、银（Ag）等相比，碳电极具有显著的成本优势。金、银等

金属资源稀缺，价格昂贵，其在太阳能电池中的使用大大增加了电池的制造成本。据统计，

金属电极在传统钙钛矿太阳能电池成本中占比可达20%-30%。而碳材料来源广泛，如石

墨、活性炭等，成本低廉，可有效降低电池的生产成本o以活性炭制备的碳电极为例，其原

材料成本仅为金属电极的几十分之一，这使得基于碳电极的钙轨矿太阳能电池在大规模应用中

具有更强的经济竞争力。

碳电极还具有出色的化学稳定性和抗腐蚀性。在钙钛矿太阳能电池的工作环境中，尤其是在潮

湿、高温等条件下，金属电极容易发生氧化、腐蚀等问题，导致电极性能下降，进而影响电池

的稳定性和寿命。而碳材料化学性质稳定，不易与钙钛矿材料或其他电池组件发生化学反

应，能够在各种环境条件下保持良好的性能。研究发现，在相对湿度为80%的环境中，金属

电极在1000小时后出现明显的腐蚀痕迹，电池效率下降超过30%；而碳电极在相同条件

下，性能基本保持稳定、电池效率衰减小于5%,展现出良好的抗环境侵蚀能力。

碳电极的制备工艺相对简单，具有良好的可加工性o金属电极的制备通常需要复杂的真空蒸

镀、溅射等工艺，设备昂贵，制备过程能耗高。而碳电极可以通过溶液旋涂、丝网印刷、喷

涂等溶液加工方法制备、这些方法操作简单，易于大规模生产c例如，采用丝网印刷技术制

备碳电极时，可通过调整印刷浆料的配方和印刷参数，实现碳电极的快速制备，并且能够精确

控制电极的厚度和图案，适用于大规模工业化生产O

碟电极在钙钛矿太阳能电池中具有电荷收集与传输、成本低、化学稳定性好、可加工性强等诸

多优势。然而，碳电极也存在一些不足之处，如与钙钛矿层的界面兼容性有待进一步提高，

部分碳材料的导电性与金属电极相比仍有差距等。因此，在未来的研究中，需要进一步优化

碟电极的性能，通过界面调控等手段，充分发挥碳电极的优势，克服其不足，推动钙钛矿太阳

能电池的商业化进程。

2.3界面调控对电池性能的影响机制

在钙钛矿太阳能电池中、钙钛矿层与电极之间的界面是电荷传输的关键区域，界面的质量对电

池的性能有着至关重要的影响。深入理解界面调控对电池性能的影响机制，对于优化电池性

能、提高光电转换效率具有重要意义。

在基于碳电极的钙钛矿太阳能电池中，电荷传输过程始于钙钛矿吸光层。当钙钛矿吸光层吸

收光子后,产生电子-空穴对。这些光生载流子需要迅速日有效地传输到电极，以形成电

流。在传输过程中，载流子会在钙钛矿层内进行扩散，随后到达钙钛矿层与电极的界面。由

于钙钛矿材料具有较高的载流子迁移率和较长的扩散长度，在理想情况下，载流子能够顺利地

传输到界面。然而，实际的电池体系中，界面处存在着各种因素，会影响电荷的传输效率。

界面缺陷是影响电池性能的重要因素之一。在钙钛矿层与碳电极的界面处，可能存在多种类

型的缺陷，如空位、间隙原子、位错等。这些缺陷会在界面处形成陷阱态，捕获光生载流

子,导致载流子的复合几率增加。以钙钛矿材料中的铅空位(VPb)缺陷为例，它会在钙钛

矿的禁带中引入深能级陷阱，捕获电子或空穴，使载流子无法顺利传输到电极，从而降低电池

的短路电流和填充因子。此外，界面缺陷还会影响界面的能级结构，导致能级失配，进一步

阻碍电荷的传输。研究表明，当界面存在大量缺陷时，电荷传输的势垒会显著增加，载流子

传输效率降低，电池的光电转换效率可下降20%-30%。

界面调控通过多种作用机制来改善电池性能。一方面，界面调控可以优化界面能级匹配。通

过引入合适的界面修饰层或界面修饰剂，调整界面处的能级结构，使钙钛矿层与碳电极之间的

能级差减小，从而降低电荷传输的势垒，提高电荷注入效率。例如，在钙钛矿层与碳电极之

间引入一层具有合适能级的过渡金属氧化物，如氧化锌(ZnO),可以有效地改善能级匹配，

使电荷能够更顺畅地从钙钛矿层注入到碳电极，提高电池的开路电压和填充因子。

另一方面，界面调控可以降低界面缺陷密度。通过表面钝化、界面工程等手段，减少界面处

的缺陷态，抑制载流子的复合。如采用有机小分子修饰剂对钙钛矿表面进行处理.这些小分

子可以与钙钛矿表面的缺陷位点结合，形成稳定的化学键,从而钝化缺陷，减少载流子的复合

损失。研究发现，使用氨基苯甲酸(ABA)对钙钛矿表面进行修饰后，界面缺陷密度降低了

50%以电池的光电转换效率提高了10%-15%。此外，界面调控还可以改善界面的接触

性能，增强界面的附着力和稳定性，减少界面处的应力和应变，从而提高电池的长期稳定

性。

界面调控还可以通过调节界面的电荷传输特性，如载流子迁移率、扩散系数等，来优化电池性

能。通过引入具有高载流子迁移率的界面材料，或者对界面进行结构优化，如构建纳米结构

界面，增加界面的有效传输面积，提高电荷传输效率。有研究表明，在碳电极表面构建纳米

多孔结构，可使界面的有效传输面积增加3倍以上，电荷传输效率提高20%-30%。

界面调控对基于碳电极的钙钛矿太阳能电池性能的影响机制是多方面的，涉及电荷传输、能级

匹配、缺陷控制等多个关键因素。通过深入研究这些机制，采取有效的界面调控策略，可以

显著提高电池的性能，为钙钛矿太阳能电池的商业化应用提供有力的技术支持。

三、碳电极钙钛矿太阳能电池的制备方法

3.1碳电极材料的选取与制备

琰电极材料的选取是制备高性能碳电极钙钛矿太阳能电池的关键环节，不同的碳材料具有各异

的特性，对电池性能产生着显著影响。

石墨烯作为一种由碳原子以Sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，具有优异

的电学性能。其理论比表面积高达2630m2/g,电子迁移率可达200000cm2/(V•s),这使

得石墨烯能够为电荷传输提供高效的通道。在钙钛矿太阳能电池中，石墨烯可作为碳电极材

料，有效提高电荷传输效率。研究表明，将石墨烯与碳纳米管复合制备的碳电极,其导电性

得到进一步提升，电池的光电转换效率提高了15%•20%。然句，心墨烯在实际应用中也面

府一些挑战，如大规模制备的成本较高，且在溶液中的分散性较差，容易发生团聚现象，影响

其在电极中的均匀分布。

碳纳米管是由碳原子组成的管状结构，具有独特的一维结构和优异的电学、力学性能。单壁

碳纳米管的直径通常在1・2nm之间，长度可达数微米甚至更长，其载流子迁移率可高达

10000cm2/(V・s)以上，能够实现快速的电荷传输。碳纳米管还具有较高的比表面积，有利

于增加电极与钙钛矿层的接触面积，提高电荷收集效率o有研究将碳纳米管阵列作为碳电

极，与钙钛矿层形成紧密的接触，有效提高了电池的性能。但碳纳米管的制备工艺复杂，成

本较高，且在与其他材料复合时，界面兼容性有待进一步提高C

活性炭是一种具有丰富孔隙结构和高比表面积的碳材料，其比表面积可达1000-3000

m2/g,能够提供大量的活性位点。活性炭的导电性相对较低，但其成本低廉，来源广泛。在

碳电极制备中，常将活性炭与其他导电性能较好的碳材料复合，以提高电极的整体性能。例

如，将活性炭与石墨烯复合，制备的复合碳电极在保持一定导电性的同时，降低了成本，且活

性炭的孔隙结构有助于电解液的浸润，提高了电池的稳定性。然而，活性炭的孔隙结构较为

复杂，部分微孔可能会阻碍电荷传输，需要对其进行合理的调控。

除了上述单一碳材料，碳复合材料也在碳电极中展现出良好的应用前景。例如，将石墨烯与

琰纳米管复合，可综合两者的优势，提高电极的导电性和机械性能。通过化学气相沉积法在

碟纳米管表面生长石墨烯，形成的复合结构具有更高效的电荷传输通道和更大的比表面积。

研究表明，这种复合碳电极应用于钙钛矿太阳能电池时，电池的短路电流和填充因子均有显著

提高，光电转换效率提升了10%-15%。此外，碳材料与金属氧化物、聚合物等的复合也受

到了广泛关注。将碳纳米管与二氧化钛复合，制备的复合电极不仅提高了电荷传输效率，还

增强了对光的吸收，从而提升了电池的性能。

碳电极的制备工艺对其性能同样有着重要影响。常见的制备工艺包括溶液旋涂法、丝网印刷

法、化学气相沉积法等。溶液旋涂法是将碳材料分散在溶剂中，形成均匀的溶液，然后通过

旋涂的方式将其涂覆在基底上，再经过干燥和退火等处理，形成碳电极。该方法操作简单，

成本较低，适合实验室制备。但溶液旋涂法制备的碳电极厚度均匀性较差，可能会导致电池

性能的不均匀性。丝网印刷法是将碳浆料通过丝网印刷的方式印刷到基底上，形成具有一定

图案和厚度的碳电极。这种方法可实现大规模生产，且能够精确控制电极的厚度和图案o但

丝网印刷法制备的碳电极表面粗糙度较高，可能会影响电极与钙钛矿层的界面接触。化学气

相沉积法是在高温和催化剂的作用下，将气态的碳源分解.碳原子在基底表面沉积并反应，形

成碳电极。该方法可制备高质量的碳电极，如石墨烯薄膜电极等，但设备昂贵，制备过程复

杂，产量较低。

在制备过程中，温度、压力、时间等参数对碳电极的性能也有显著影响。以化学气相沉积法

制备石墨烯电极为例，温度过低时，碳原子的沉积速率较慢，难以形成连续的石墨烯薄膜；温

度过高则可能导致石墨烯的缺陷增多，影响其导电性。压力和E寸间的控制同样重要，合适的

压力和时间能够保证碳源充分分解和反应，形成均匀、高质量的碳电极。研究表明，在化学

气相沉积法制备石墨烯电极时，将温度控制在WOO-1100℃,压力控制在10-100Pa,沉

枳时间控制在3。・6。分钟，可获得性能优异的石墨烯电极，应用于钙钛矿太阳能电池时，电

池的光电转换效率可提高10%-15%。

碟电极材料的选取与制备工艺对基于碳电极的钙钛矿太阳能电池性能有着至关重要的影响。

通过合理选择碳材料，优化制备工艺，能够有效提高碳电极的导电性、稳定性和与钙钛矿层的

界面兼容性，从而提升电池的整体性能。在未来的研究中，需要进一步探索新型碳材料和制

备工艺，以实现碳电极钙钛矿太阳能电池性能的突破。

3.2钙钛矿吸光层的制备技术

钙钛矿吸光层作为钙钛矿太阳能电池的核心组成部分，其制备技术直接影响着电池的光电转换

效率和稳定性°目前，常见的钙钛矿吸光层制备方法主要包括一步溶液法、两步溶液法和气相

辅助溶液法等，每种方法都具有独特的优缺点和适用场景。

一步溶液法是将钙钛矿的前驱体，如卤化铅（如Pbk、PbB「2等）和有机卤化物（如

CH3NH3LNH2cH=NH2Br等），按一定化学计量比溶解在有机溶剂（如N,N-二甲基甲

酰胺DMF、丫・丁内酯GBL等）中，形成均匀的前驱体溶液。然后，通过旋涂、喷涂、刮涂

等溶液加工方法，将前驱体溶液直接涂覆在基底（如电子传输层或导电玻璃）上，再经过退火

处理，使前驱体发生反应并结晶，形成钙钛矿吸光层。例如，在典型的一步旋涂法制备

MAPbk钙钛矿吸光层的过程中，将Pbk和CH3NH3I溶解在DMF中，配制成一定浓度的

前驱体溶液。将溶液滴在旋转的基底上，通过控制旋涂速度和E寸间，使溶液均匀地铺展在基

底表面。随后，将样品放入高温炉中，在100-150℃的温度下退火，使前驱体反应生成

MAPbl3钙钛矿薄膜。一步溶液法的优点是工艺简单、操作方便，适合实验室研究和小规模

制备。该方法能够在较短的时间内完成钙钛矿吸光层的制备，且设备成本较低。然而，一步

溶液法也存在一些缺点。由于前驱体溶液中各组分的结晶速度不同，容易导致钙钛矿薄膜的

结晶质量较差，出现针孔、裂纹等缺陷。这些缺陷会影响光生或流子的传输和收集，降低电

池的性能。前驱体溶液的浓度和旋涂条件对薄膜的质量影响较大，工艺重复性较差。

两步溶液法是先将卤化铅（如Pbk、PbBh等）溶解在有机溶剂中，形成卤化铅溶液。通过

旋涂、喷涂等方法将卤化铅溶液涂覆在基底上，经过干燥处理形成卤化铅薄膜。然后，将卤

化铅薄膜浸泡在有机卤化物（如CH3NH3I、NH2cH=NH?Br等）的溶液中，或在有机卤化

物的气氛中进行处理，使卤化铅与有机卤化物发生反应，在卤化铅薄膜表面生长出钙钛矿吸光

层。以制备MAPbk钙钛矿吸光层为例，首先将Pbk溶解在DMF中，旋涂在基底上，干燥

后形成Pbl?薄膜。然后，将Pbk薄膜浸泡在CH3NH3I的异丙醇溶液中，经过一段时间的

反应，Pbl2与CH3NH3I反应三成MAPbl3钙钛矿薄膜。两步溶液法的优点是能够制备出结

晶质量较好、薄膜均匀性较高的钙钛矿吸光层。通过分步生长的方式，可以更好地控制钙钛

矿的结晶过程，减少缺陷的产生。这种方法制备的钙钛矿薄膜具有较大的晶粒尺寸和较低的

缺陷密度，有利于提高光生栽流子的传输效率和电池的性能。然而，两步溶液法的制备工艺

相对复杂，需要进行多次溶液处理和干燥步骤，制备时间较长c该方法对环境湿度较为敏

感，在潮湿的环境中容易出现钙钛矿薄膜的质量问题。

气相辅助溶液法是将溶液法和气相沉积法相结合的一种制备方法。先用溶液法将卤化铅（如

Pbl?、PbBr2等）沉积在基底上，形成卤化铅薄膜。然后，将卤化铅薄膜置于有机卤化物

（如CH3NH3I、NH2cH=NH?Br等）的气相环境中，在一定的温度和压力条件下，使有机

卤化物蒸气与卤化铅薄膜发生反应，原位生长出钙钛矿吸光层c例如，在制备MAPb%钙钛

矿吸光层时，先将Pbl2溶液旋涂在基底上，干燥后得到Pbl2薄膜。将Pbl2薄膜放入充满

CH3NH3I蒸气的密闭容器中，在150℃左右的温度下反应，使CH3NH3I蒸气与Pbl2薄膜

反应生成MAPbk钙钛矿薄膜。气相辅助溶液法的优点是能够制备出表面覆盖率高、粗糙度

低、晶粒尺寸较大的钙钛矿吸光层。该方法可以有效避免溶液法中常见的针孔和表面覆盖不

全的问题.提高钙钛矿薄膜的质量。通过气相反应，能够实现更精确的化学计量比控制.有

利于优化钙钛矿的性能。然而,气相辅助溶液法需要特殊的气相沉积设备，制备过程较为复

杂，成本较高。该方法对反应条件的控制要求严格，操作难度较大。

除了上述三种主要的制备方法外，还有其他一些制备技术，如共蒸发法、热注入法等。共蒸

发法是将钙钛矿的各组分（如卤化铅和有机卤化物）在高真空以境下同时蒸发，然后在基底上

沉积并反应，形成钙钛矿吸光层。这种方法能够制备出高质量的钙钛矿薄膜，但设备昂贵，

制备过程复杂，产量较低。热注入法是将热的前驱体溶液快速注入到高温的反应体系中，引

发快速的成核和生长过程，从而制备出钙钛矿吸光层。该方法能够精确控制钙钛矿的成核和

生长过程，制备出具有特定结构和性能的钙钛矿蒲膜.但工艺条件较为苛刻，难以大规模应

用。

不同的制备方法对钙钛矿吸光层的质量和电池性能有着显著的影响。一步溶液法制备的钙钛

矿吸光层虽然工艺简单，但结晶质量和均匀性较差，导致电池的光电转换效率相对较低。两

步溶液法和气相辅助溶液法能够制备出质量较高的钙钛矿吸光层，使电池的光电转换效率得到

显著提升。在实际应用中，需要根据具体的需求和条件，选择合适的制备方法，并通过优化

制备工艺参数，如溶液浓度、旋涂速度、退火温度和时间等，来提高钙钛矿吸光层的质量和电

池的性能。

3.3电池组装工艺及关键步骤

电池组装是将各个独立的电池组件按照特定的结构和工艺要求进行组合，形成完整电池器件的

过程。在基于碳电极的钙钛矿太阳能电池组装中，通常采用的是先制备基底，再依次沉积电子

传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层（若有）和碳电极的顺序。以常见的FT。玻璃为基底的

n小p型结构钙钛矿太阳能电池为例，首先对FTO玻璃进行清洗和预处理，以去除表面的油

污、杂质等，提高其表面的洁净度和润湿性。一般采用超声清洗的方法，依次在洗洁精水溶

液、去离子水、无水乙醇、丙酮、异丙醇中进行清洗，最后用氮气吹干，并进行氧气等离子清

洗.以增强表面的活忤。

在制备好的FTO玻璃基底上，通过旋涂、喷涂等方法制备电子传输层。以二氧化钛（TiO2）

作为电子传输层材料为例，常用的制备方法是将TiOz前驱体溶液旋涂在基底上，然后在高温

下进行退火处理，使其结晶形成致密的TQ2薄膜。在旋涂过程中，需要精确控制旋涂速度和

时间，以确保TiO2薄膜的厚度均匀性。例如，对于TiO2前驱体溶液，通常在3000-5000

rpm的转速|、旋涂30-60杪，然后在450・500℃的温度卜退火30-60分钟，可获得性能良

好的TiO2电子传输层。

钙钛矿吸光层的制备是电池组装的关键步骤之一，其质量直接影响电池的光电转换效率。如

前文所述，钙钛矿吸光层可采用一步溶液法、两步溶液法或气相辅助溶液法等进行制备。在

一步溶液法中，将钙钛矿前驱体溶液旋涂在电子传输层上，然后进行退火处理，使其结晶形成

钙钛矿薄膜。在退火过程中，温度和时间的控制至关重要，过高的温度或过长的时间可能导

致钙钛矿薄膜的分解或结晶质量下降，而过低的温度或过短的时间则可能使钙钛矿结晶不完

全。例如，对于MAPbk钙钛矿吸光层，在100-150℃的温度下退火10-20分钟，可获得

较好的结晶质量和光电性能。

空穴传输层（若有）的制备也不容忽视。常用的空穴传输材料如Spiro-MeOTAD,通常将其

溶解在氯苯等有机溶剂中，配制成一定浓度的溶液，然后通过旋涂的方式将其涂覆在钙钛矿吸

光层上。在旋涂过程中，同样需要控制好溶液浓度、旋涂速度和时间等参数，以确保空穴传

输层的质量。例如，将Spiro-MeOTAD溶液在3000-4000rpm的转速下旋涂30-40秒，

可形成均匀的空穴传输层。

碟电极的制备和贴合是电池组装的最后关键步骤。根据所选碳材料和制备工艺的不同，碳电

极的制备方法有所差异。若采用溶液旋涂法制备碳电极，将碳材料分散在合适的溶剂中，形

成均匀的碳浆料，然后旋涂在空穴传输层（或直接在钙钛矿层上，若无双空穴传输层结构）

上o在旋涂过程中，要确保碳浆料均匀地覆盖在基底上，避免出现厚度不均匀或漏涂等问

题。若采用丝网印刷法制备碳电极，需要先将碳浆料制备好，然后通过丝网印刷的方式将其

印刷在基底上。在印刷过程中，要控制好印刷压力、速度和次数等参数，以保证碳电极的厚

度和图案精度。

碳电极与钙钛矿层的贴合工艺对电池性能有着重要影响。良好的贴合能够确保碳电极与钙钛

矿层之间形成紧密的接触，减少界面电阻，提高电荷传输效率c在贴合过程中，要注意避免

引入气泡、杂质等缺陷，这些缺陷可能会导致界面接触不良，增加电荷复合几率，降低电池性

能。为了提高贴合质量，可以采用热压、真空贴合等方法。热压法是在一定温度和压力下，

使碳电极与钙钛矿层紧密贴合。通过控制热压的温度、压力和E寸间等参数，可以优化界面接

触性能。例如，在80-100℃的温度下，施加0.5-1MPa的压力，热压5-10分钟，可使

碟电极与钙钛矿层实现良好的贴合。真空贴合法则是在真空环境下，将碳电极与钙钛矿层贴

合，减少界面处的空气和杂质，提高贴合质量.

组装过程中的每一个步骤都对电池性能有着潜在的影响。制备过程中的温度、湿度等环境因

素会影响钙钛矿吸光层和其他功能层的质量。在高湿度环境下，钙钛矿吸光层容易吸收水

分，导致薄膜的结晶质量下降，甚至发生分解，从而降低电池的性能。各功能层的厚度和均

匀性也会影响电池性能。过厚的电子传输层或空穴传输层可能会增加电荷传输的阻力，而过

薄的功能层则可能无法有效地传输电荷，导致电池的短路电流和填充因子降低。此外，界面

的平整度和清洁度对电池性能也至关重要。不平整的界面会增加电荷复合的几率，而界面上

的杂质可能会引入额外的陷阱态，捕获载流子，降低电池的光电转换效率。

四、碳电极钙钛矿太阳能电池的界面调控策略

4.1界面调控的原理与目标

在基于碳电极的钙钛矿太阳能电池中，界面调控是提升电池性能的关键环节，其原理基于对界

面微观结构和电子特性的精细调整，以实现特定的性能优化目标O

界面调控的基本原理主要涉及改善碳电极与钙钛矿层之间的能级匹配。在钙钛矿太阳能电池

中，钙钛矿层吸收光子产生电子-空穴对后，载流子需要顺利地从钙钛矿层传输到碳电极，这

一过程中，能级匹配起着关键作用。若钙钛矿层与碳电极之间的能级不匹配，会形成较大的

电荷传输势垒，阻碍载流子的传输，导致电荷复合增加，电池性能下降。例如，当钙钛矿的

价带顶与碳电极的费米能级之间存在较大的能级差时，空穴从钙钛矿层注入到碳电极的过程会

受到阻碍，部分空穴会在界面处与电子复合，从而降低电池的短路电流和填充因子。通过引

入合适的界面修饰层或界面修饰剂，可以调整界面处的能级结构，使钙钛矿层与碳电极之间的

能级差戒小，实现能级的良好匹配。如在钙钛矿层与碳电极之间引入具有合适能级的过渡金

属氧化物作为缓冲层，利用其能级介于钙钛矿和碳电极之间的特性，降低电荷传输的势垒，促

进空穴从钙钛矿层向碳电极的传输，提高电池的开路电压和填充因子。

降低界面缺陷是界面调控的另一个重要原理。在钙钛矿层与碳电极的界面处，由于材料的晶

格结构差异、制备工艺的不完善等原因，往往存在各种缺陷，如空位、间隙原子、位错等。

这些缺陷会在界面处形成陷阱态，捕获光生载流子，导致载流子的复合几率大幅增加O以钙

钛矿材料中的碘空位(VI)缺陷为例，它会在钙钛矿的禁带中引入深能级陷阱，捕获电子或空

穴，使载流子无法顺利传输到电极，从而降低电池的性能。通过表面钝化、界面工程等手

段，可以有效减少界面处的缺陷态。采用有机小分子修饰剂对钙钛矿表面进行处理，这些小

分子可以与钙钛矿表面的缺陷位点结合，形成稳定的化学键，从而钝化缺陷，减少载流子的复

合损失。研究表明，使用氨基苯甲酸(ABA)对钙钛矿表面进行修饰后，界面缺陷密度降低

了50%以上，电池的光电转换效率提高了10%-15%。

提高电荷传输效率也是界面调控的核心原理之一。高效的电荷传输是实现高光电转换效率的

关键，而界面的性质对电荷传输效率有着重要影响。通过优化界面结构和材料，如构建纳米

结构界面、选择高裁流子迁移率的界面材料等，可以增加界面的有效传输面积，提高载流子迁

移率和扩散系数，从而提高电荷传输效率。在碳电极表面构建纳米多孔结构，可使界面的有

效传输面积增加3倍以上，电荷传输效率提高20%-30%。引入具有高载流子迁移率的界面

材料，如碳纳米管、石墨烯等，能够为电荷传输提供快速通道，提高电荷传输的速率。

基于上述原理，界面调控的目标主要包括以下几个方面。首要目标是提高电池的光电转换效

率。通过优化能级匹配、降低界面缺陷和提高电荷传输效率，减少电荷复合损失.增加光生

载流子的收集效率，从而提高电池的短路电流、开路电压和填充因子，最终提升光电转换效

率。研究表明，经过有效的界面调控，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率可提高10%•

30%o

增强电池的稳定性也是重要目标之一。界面调控口J以通过抑制初钛矿层的相分离、减缓光降

解以及增强环境稳定性等方式，延长电池的使用寿命。在界面处引入具有稳定作用的修饰层

或修饰剂，能够抑制钙钛矿层在光照、温度、湿度等环境因素作用下的相分离和降解，提高电

池的稳定性。实验结果显示，经过界面调控的电池在高温高湿环境下的寿命可延长1-2

倍。

降低电池的制备成本也是界面调控的潜在目标。通过选择低成本的界面修饰材料和简单可行

的界面调控工艺，在不降低电池性能的前提下，降低电池的制备成本.提高其市场竞争力。

采用溶液加工法引入界面修饰剂，相比于复杂的真空沉积工艺，可显著降低制备成本，同时实

现良好的界面修饰效果。

4.2常见的界面调控方法

4.2.1引入界面缓冲层

在基于碳电极的钙钛矿太阳能电池中，引入界面缓冲层是一种有效的界面调控方法，它能够改

善碳电极与钙钛矿层之间的能级匹配，减少界面缺陷，从而提升电池性能。

氧化锌(ZnO)是一种常见的宽禁带半导体材料，其禁带宽度约为3.37eV,具有较高的电子

迁移率，可达100-200cm2/(V-s),在钙钛矿太阳能电池中常被用作界面缓冲层材料。当

ZnO作为缓冲层引入到碳电极与钙钛矿层之间时，其合适的能级结构能够有效地改善能级匹

配。钙钛矿材料的导带底能级与ZnO的导带底能级较为接近，这使得电子能够顺利地从钙钛

矿层注入到ZnO缓冲层，进而传输到碳电极。研究表明，在钙钛矿太阳能电池中引入ZnO

缓冲层后，电池的开路电压得到了显著提高。通过对引入ZnO缓冲层前后电池性能的对比测

试，发现开路电压从原来的L05V提升至1.15V,这主要是由于ZnO缓冲层优化了能级匹

配,减少了电荷传输过程中的能量损失，降低了电子-空穴对在界面处的复合几率。ZnO缓

冲层还可以减少界面缺陷。ZnO的晶体结构相对稳定，能够填充钙钛矿层与碳电极之间的间

隙，减少界面处的空位、位错等缺陷。这些缺陷往往会成为载流子的复合中心，导致电池性

能下降。引入ZnO缓冲层后，界面缺陷密度降低，载流子复合几率减少，从而提高了电池的

短路电流和填充因子。实验数据显示，引入ZnO缓冲层后，电池的短路电流从原来的20

mA/cm2增加到22mA/cm2,填充因子从0.65提高到0.70。

钛酸锢(SrTiO3)也是一种重要的界面缓冲层材料。SrTiO3具有立方钙钛矿结构，其禁带宽

度约为3.2eV,具有良好的化学稳定性和热稳定性。在钙钛矿太阳能电池中，SrTiC>3缓冲

层能够有效地调节界面处的能级结构，促进电荷的传输。由于SrTiO3的价带顶能级与钙钛矿

材料的价带顶能级相匹配，空穴能够从钙钛矿层顺利地传输到SrTiOs缓冲层，再传输到碳电

极。这一过程中，S「TiO3缓冲层起到了桥梁的作用，优化了电荷传输路径，减少了电荷复

合。研究发现，引入SrTiOs缓冲层后，电池的填充因子得到了明显改善。在未引入SrTiOs

缓冲层时，电池的填充因子为060,引入后提升至0.75。这是因为SrTiO3缓冲层改善了界

面处的电荷传输性能，降低了界面电阻，使得电荷能够更高效地传输到电极，从而提高了填充

因子。SrTiOs缓冲层还具有抑制界面处离子迁移的作用。在钙钛矿太阳能电池中，离子迁移

会导致电池性能的衰减，而SrTQ3缓冲层可以阻挡离子的迁移，检定钙钛矿层的结构，提高

电池的稳定性。实验表明，经过1000小时的光照老化测试后，引入SrTiOs缓冲层的电池性

能衰减率仅为5%,而未弓I入的电池性能衰减率达到20%。

除了ZnO和SrTiO3,还有其他一些材料也可作为界面缓冲层，如二氧化钛(TiO2)、氧化

锲(NiO)等。是一种常用的电子传输层材料，也可作为界面缓冲层。其导带底能级与

钙钛矿材料的导带底能级匹配良好，能够有效地传输电子。在一些研究中，将TQz作为缓冲

层引入到碳电极与钙钛矿层之间，发现电池的光电转换效率得到了提升。通过优化TiOz缓冲

层的厚度和制备工艺，可使电池的光电转换效率从原来的15%提高到18%。NiO是一种p

型半导体材料，常用于空穴传输层，也可作为界面缓冲层来改善碳电极与钙钛矿层之间的界面

性能。NiO的价带顶能级与钙钛矿材料的价带顶能级匹配，能够促进空穴的传输。研究表

明、引入NQ缓冲层后，电池的开路电压和填充因子都有所提高。

引入界面缓冲层是一种有效的界面调控策略，不同的缓冲层材料通过优化能级匹配、减少界面

缺陷、抑制离子迁移等作用机制，显著提升了基于碳电极的钙轨矿太阳能电池的性能。在未

来的研究中，需要进一步探索新型的缓冲层材料，优化缓冲层的制备工艺和厚度，以实现电池

性能的进一步提升。

4.2.2使用分子或聚合物界面修饰剂

在基于碳电极的钙钛矿太阳能电池中，使用分子或聚合物界面修饰剂是一种重要的界面调控手

段，能够有效改善界面接触性能，降低表面缺陷，进而提升电池的性能，

富勒烯衍生物是一类常用的分子界面修饰剂。以［6,6卜苯基-C61・丁酸甲酯(PCBM)为

例，它是一种典型的富勒烯衍生物，具有独特的三维共辗结构，使其具有良好的电子亲和性和

迁移率。在钙钛矿太阳能电池中，PCBM常用于修饰钙钛矿层与碳电极之间的界面。PCBM

能够与钙钛矿表面形成良好的接触，改善界面的电荷传输性能<其电子亲和性使得它能够有

效地接受从钙钛矿层传输过来的电子，促进电子向碳电极的传输。研究表明，在钙钛矿太阳

能电池中引入PCBM修饰界面后，电池的短路电流和填充因子得到了显著提高。通过对引入

PCBM前后电池性能的对比测试，发现短路电流从原来的20mA/cm2增加到23mA/cm2,填

充因子从0.65提高到0.72。这是因为PCBM的引入优化了界面的电子传输路径，减少了电

子在界面处的复合几率。PCBM还可以降低钙钛矿表面的缺陷密度。钙钛矿材料表面存在着

各种缺陷，如空位、悬挂键等，这些缺陷会捕获载流子，导致电荷复合。PCBM能够与钙钛

矿表面的缺陷位点结合、钝化这些缺陷，减少载流子的复合损失。实验数据显示，引入

PCBM后，钙钛矿表面的缺陷密度降低了30%以上，有效提高了电池的性能。

聚(3,4-乙烯二氧嘎吩)(PEDCT)及其与聚苯乙烯磺酸盐(PSS)的复合物

(PEDOTFSS)是一种常用的聚合物界面修饰剂。PEDOTFSS具有艮好的导电性和透明

性，在钙钛矿太阳能电池中，常被用于修饰碳电极与钙钛矿层之间的界面。PEDOTPSS能

够在碳电极表面形成均匀的薄膜，改善碳电极与钙钛矿层之间的接触性能。其良好的导电性

使得空穴能够更高效地从钙钛矿层传输到碳电极。研究发现，引入PEDOTPSS修饰界面

后，电池的开路电压得到了明显提升。在未引入PEDOTPSS时，电池的开路电压为1.0

V,引入后提升至1.1V。这是因为PEDOTFSS优化/界面的空穴传输性能，减少了空穴在

界面处的积累，降低了界面电阻，从而提高了开路电压。PEDOTPSS还可以调节界面的能

级结构。通过改变PEDOT:PSS的掺杂浓度和薄膜厚度，可以调整其能级与钙钛矿层的能级

匹配程度。合适的能级匹配能够促进电荷的传输，提高电池的性能。实验表明，通过优化

PEDOTPSS的掺杂浓度和薄膜厚度，可使电池的光电转换效率提高10%—15%。

除了富勒烯衍生物和PEDOTPSS,还有其他一些分子或聚合物也可作为界面修饰剂，如聚乙

烯亚胺(PEI)、聚丙烯酸(PAA)等.PEI是一种阳离子聚合物，具有丰富的氨基基团。

在钙钛矿太阳能电池中.PEI可以修饰钙钛矿层与碳电极之间的界面。PEI的氨基基团能够

与钙钛矿表面的卤素离子形成化学键，从而钝化钙钛矿表面的缺陷，减少载流子的复合。研

究表明，引入PEI修饰界面后，电池的填充因子得到了提高。通过优化PEI的浓度和修饰时

间，可使电池的填充因子从0.62提高到0.70。PAA是一种阴离子聚合物，具有良好的水溶

性和粘附性。在钙钛矿太阳能电池中，PAA可以修饰碳电极表面，改善碳电极与钙钛矿层之

间的界面接触。PAA能够与碳电极表面形成化学键，同时与钙钛矿层相互作用，增强界面的

稳定性。研究发现，引入PAA修饰界面后，电池的稳定性得到了显著提升。在高温高湿环

境下，引入PAA的电池在100C小时后性能衰减率仅为10%,而未引入的电池性能衰减率达

到30%。

使用分子或聚告物界面修饰剂是一种有效的界面调控策略，通过改善界面接触性能、降低表面

缺陷、调节界面能级结构等作用机制，显著提升了基于碳电极的钙钛矿太阳能电池的性能。

在未来的研究中，需要进一步探索新型的分子或聚合物界面修燃剂，优化修饰剂的使用方法和

浓度，以实现电池性能的进一步提升。

4.2.3原位聚合或光化学处理

在基于碳电极的钙钛矿太阳能电池中，原位聚合和光化学处理作为两种重要的界面调控手段，

能够通过独特的作用机制显著提升界面载流子传输性能，从而改善电池的整体性能。

原位聚合是指在钙钛矿层与碳电极的界面处，通过引发特定的单体发生聚合反应，形成一层均

匀的聚合物修饰层。以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的原位聚合为例，在制备过程中，将含

有甲基丙烯酸甲酯(MMA)单体、引发剂(如偶氮二异丁睛A旧N)的溶液涂覆在钙钛矿层表

面,然后在适当的温度和时间条件下，引发剂分解产生自由基，引发MMA单体发生聚合反

应，在钙钛矿层与碳电极的界面处形成PMMA修饰层。这种原位聚合形成的PMMA修饰层

能够有效地改善界面性能。一方面，PMMA具有良好的柔韧性和粘附性，能够与钙钛矿层和

碳电极紧密结合，增强界面的稳定性。研究表明，引入原位聚合的PMMA修饰层后，在

1000次的弯曲循环测试后，电池的性能衰减率仅为5%,而未修饰的电池性能衰减率达到

20%,这表明PMMA修饰层有效地增强了界面在机械应力下的稳定性。另一方面，PMMA

修饰层可以优化界面的电荷传输性能。PMMA的分子结构中含有极性基团，能够与钙钛矿表

面的电荷相互作用，促进电荷的传输。通过对引入PMMA修饰层前后电池的电荷传输性能测

试，发现载流子迁移率提高了30%,从原来的1x10-3cm2/(V,s)提升至1.3x10-3cm2/(V・

s),这使得电池的短路电流和填充因子得到显著提高。实险数据显不，短路电流从原来的20

mA/cm2增加到22mA/cm2,填充因子从0.65提高到0.70。

光化学处理则是利用光化学反应对界面进行修饰。在钙钛矿太阳能电池中，常采用紫外线

(UV)光照来引发界面处的化学反应。以二氧化钛(TiO2)纳米颗粒修饰的碳电极与钙钛

矿层的界面为例，在制备过程中，先在碳电极表面负载TiOz纳米颗粒，然后将其与钙钛矿层

组装成电池。在紫外线光照下，TiO?纳米颗粒会产生光生电子-空穴对，这些光生载流子会

与界面处的分子发生化学反应。TiO2产生的光生空穴能够氧化界面处的有机杂质，减少杂质

对电荷传输的阻碍。同时，光生电子能够与钙钛矿表面的缺陷结合，钝化缺陷。研究表明，

经过光化学处理后，界面处的杂质含量降低了50%以上，钙钛矿表面的缺陷密度降低了

40%o这些变化有效地改善了界面的电荷传输性能，提高了电池的开路电压和填充因子。通

过对光化学处理前后电池性能的测试，发现开路电压从原来的1.05V提升至1.15V,填充因

子从0.62提高到0.72。光化学处理还可以在界面处形成一些特殊的化学键或官能团，增强界

面的结合力。在紫外线光照下，TiO2表面会产生一些羟基(QH)官能团，这些官能团能够

百钙钛矿表面的原子形成氢键或化学键，从而增强界面的稳定性。实验结果显示，经过光化

学处理的电池在高温高湿环境下的稳定性得到显著提升，在相对湿度为80%、温度为60°(:的

环境中，经过500小时的测试后，电池的性能衰减率仅为10%,而未处理的电池性能衰减率

达到30%o

原位聚合和光化学处理通过改善界面稳定性、优化电荷传输性能、减少杂质和缺陷等作用机

制、有效地提升了基于碳电极的钙钛矿太阳能电池的界面载流子传输性能和电池的整体性

能。在未来的研究中，需要进一步深入研究原位聚合和光化学处理的反应条件和作用机制，

优化处理工艺，以实现电池性能的更大突破。

4.3界面调控的优化策略

为了实现基于碳电极的钙钛矿太阳能电池性能的进一步提升，界面调控策略的优化至关重要。

通过实验研究和埋论分析，发现多种调控方法的协同使用能够发挥不同方法的优绐，弥补单一

方法的不足，从而实现更好的调控效果。

将引入界面缓冲层与使用分子界面修饰剂相结合是一种有效的优化策略。以氧化锌(ZnO)

作为界面缓冲层，富勒烯衍生物PCBM作为分子界面修饰剂为列，在钙钛矿太阳能电池中，

ZnO缓冲层能够优化碳电极与钙钛矿层之间的能级匹配，减少日荷传输势垒。PCBM则可以

与钙钛矿表面的缺陷位点结合，降低表面缺陷密度，抑制载流子复合。实验结果表明，单独

使用ZnO缓冲层时，电池的开路电压从1.05V提升至1.10V,短路电流从20mA/cm2增加

到21mA/cm2;单独使用PCBM修饰时，电池的短路电流提升至22mA/cm?,填充因子从

0.65提高到0.680而当两者协同使用时，电池的开路电压达到1.15V,短路电流增加到23

mA/cm2,填充因子提高到0.72,光电转换效率从原来的15%提升至18%,实现了电池性

能的显著提升。这是因为ZnO缓冲层和PCBM分别从能级匹配和缺陷钝化两个方面对界面

进行了优化，协同作用下，有效提高了电荷传输效率和减少了电荷复合，从而提升了电池性

能。

原位聚合与界面缓冲层的协同使用也展现出良好的效果。以原位聚合形成的聚甲基内烯酸甲

酯(PMMA)修饰层与钛酸锢(SrTiO3)缓冲层协同作用为例，SrTiO?缓冲层能够调节界面

处的能级结构，促进电荷的传输，同时抑制界面处离子迁移，提高电池的稳定性。原位聚合

的PMMA修饰层则增强了界面的稳定性，优化了界面的电荷传输性能。实验数据显示，单独

使用SrTiO3缓冲层时，电池在高温高湿环境下的寿命为500小时，光电转换效率为16%;

单独使用原位聚合的PMMA修饰层时，电池在1000次弯曲循环测试后的性能衰减