钙钛矿太阳能电池在最近些年得到了非常好的发展，基于钙钛矿材料的太阳能电池的最高记录工作效率达到25.2 %（根据理论预测，钙钛矿太阳能电池的理论极限效率能达到31 %（Applied Physics Letters, 2015, 106, 221104）），这个数值高于其他类型的太阳能电池技术，比如晶硅太阳能技术、CdTe基太阳能技术。虽然钙钛矿太阳能电池的效率非常高，在价格上也是目前通常太阳能电池的一半，目前关键问题在于稳定性难以实现大规模商业化应用。目前也有相关研究使用叠层技术将钙钛矿电池和其他技术的电池共用（tandem devices），能够提升工作效率和太阳能的利用程度（Energy & Environmental Science, 2020, 13, 258-267）。

为了提高电池的稳定性，目前提出了以下几种方法：加强层中的稳定性，在界面上使用稳定性更高的材料，或者在太阳能电池中加入稳定的添加物。
碳基材料由于具有高稳定性，价格低廉，能够实现大规模工业制备等。目前发现以下几种碳基材料的应用：能带结构调节、可调的电学性质。目前人们发现不同的碳基材料能够用于多种钙钛矿太阳能电池的结构中。芬兰Akademi大学Mahboubeh Hadadian和美国佐治亚理工大学综述总结了利用碳基材料用于提升钙钛矿电池的工作效率、稳定性等性质。

本文要点：

（1）富勒烯在钙钛矿太阳能电池中的应用。

富勒烯被应用于电子传输层中（ESLs，electron selective layer），电子传输层钙钛矿吸光材料的界面处，添加在钙钛矿吸光层中，被用于消除界面和晶界中的缺陷位点、降低回滞作用，提升电荷转移过程，这些都能够提升太阳能电池的工作效率，并改善电池的稳定性。富勒烯在2013年首次被引入到钙钛矿电池中，后来各种富勒烯的衍生物分子都被引入钙钛矿太阳能电池中。

（2）碳管在钙钛矿太阳能电池中的应用。

碳管是典型的一维半导体纳米材料，具有独特的结构，比如单壁、双壁、多壁结构，且碳管的长度、半径、手性都能够在合成中调控。由于碳管的高导电性、透光性、化学稳定且热稳定等，碳管中的π电子对电荷转移过程非常有利。碳管首次被应用于钙钛矿太阳能电池的电极和钙钛矿层中（作为添加物）（ACS Nano, 2014, 8, 6797-6804）。碳管的弹性和稳定性是在钙钛矿太阳能电池中最重要的优势，一些文献报道了使用碳管用于传输光生电荷。高导电性的碳管有希望替代价格较高的金属电极、空穴传输层。

（3）石墨烯在钙钛矿电池中的应用.。

石墨烯材料是由sp2型的碳构成的二维材料，体现了超好的电学、力学、光学性质。石墨烯材料由于其具有价格低廉、能够用于柔性器件，得以在钙钛矿电池中应用。石墨烯可以用于半透明太阳能电池、柔性电池中。作者总结了各种基于石墨烯的太阳能电池工作效率。此外石墨炔、氧化石墨烯等类似材料同样被用于钙钛矿电池中，起到了提升稳定性或者提升工作效率的效果。

（4）石墨和炭黑在太阳能电池中的应用

石墨材料具有高导电性、高比表面积、高热稳定性。石墨通常和炭黑一起用于太阳能电池的对电极材料。石墨的功函为~5.0 eV，能够体现非常好的空穴传输作用。碳电极的导电性能够通过热处理过程改善，此外介孔（mesoporous）类型的多孔结构碳材料同样得到了应用。作者对2013年以来的各种使用碳材料的电池进行了总结。

（5）含碳材料的太阳能电池稳定性研究。

分别对电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、碳电极、相邻层界面上的碳对稳定性的改善进行总结。

（6）碳材料在太阳能电池中的存在的问题和缺点。

对碳材料的半径、晶化、能级结构同时控制比较困难，同时碳材料的稳定性还有所缺陷。另外，作者认为碳材料的导电性、结构（无定形或者结晶的）等本征性质对太阳能电池的性能有很大的影响。

参考文献

Mahboubeh Hadadian*; Jan-Henrik Smått; Juan-Pablo Correa-Baena*

The Role of Carbon-based Materials in Enhancing the Stability of Perovskite Solar Cells, Energy Environ. Sci., 2020, Accepted Manuscript

DOI: 10.1039/c9ee04030g

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/c9ee04030g

关键字：Photovoltaics, perovskite solar cells, carbon-based materials, long-term stability