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钙钛矿太阳能电池空穴传输材料的综述

在第21届联合国气候变化大会中195个国家达成统一意见,一致同意通过《巴黎协定》,争取全球平均气温升高控制在2℃以内,在发电等领域增大可再生资源的份额。欧盟争取煤发电占36%,天然气发电15%,人均煤消耗0.5吨。因此,为了实现地球的可持续发展,人类社会应大力开发水利水电、风能、生物能、地热能以及太阳能等可再生资源。如果能将太阳能进行有效的收集,有希望提供大约23,000太瓦的电能。


太阳能电池可利用给体和受体材料实现太阳能向电能的转化。其中,基于有机-无机卤化物的钙钛矿太阳能电池(PSCs)最近几年得到了迅速发展,并且PSCs的光电转化效率已经高达22%。在PSCs器件中,由于钙钛矿本身有限的空穴传输能力,因此,在钙钛矿与电池之间插入一层空穴传输材料是必不可少的。最近,洛桑联邦理工学院(EPFL)的大牛Michael Grätzel教授以及西班牙Abengoa ResearchShahzada Ahmad博士在Angew. Chem. Int. Ed. 杂志上发表了一篇关于钙钛矿太阳能电池空穴传输材料(HTMs)的综述,对已报道的各种空穴传输材料进行了归纳总结,并为进一步的材料设计以及优化打下了坚实的基础。

图1. 钙钛矿立体结构示意图。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


钙钛矿并不是一个新生事物,在一个世纪以前就已经被科学家发现了。钙钛矿具有较窄的带隙、强吸收、高载流子迁移率以及小的激子束缚能。钙钛矿一般可表示为ABX3,其中A和B是具有不同原子半径(A>B)的阳离子,X是阴离子。

图2. 钙钛矿太阳能电池的器件结构。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


目前,常用的空穴传输材料可以分为三类:无机类(CuI、CuSCN和NiO)、聚合物类、小分子类。作者也按照该分来分别对近年来的相关材料进行了细致分析。无机空穴传输材料虽然具有较高的空穴迁移率,但是由于加工溶剂对钙钛矿有一定的溶解性,从而影响了器件的稳定性。聚合物空穴传输材料也有一些缺点,如差的溶解性、合成过程中复杂的提纯过程、不确定的分子量等。小分子空穴传输材料具有单分散性,拥有确定的分子量,是一个很好的选择,但是其瓶颈也很明显,例如合成步骤较长、对紫外的不稳定性、纯度低以及产率低,这些都需要克服。它们几乎提供了无限种类的化学结构,而且可以通过化学结构的修改来调节其光电性能,比如带隙、能级以及电子迁移率及导电性等等,致力于开发设计新型小分子空穴传输材料是迫在眉睫的。

图3. 钙钛矿太阳能电池能级结构示意图以及优秀的HTMs对应的HOMO能级。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


在这篇综述中,研究人员还对如何设计有效的空穴传输材料进行了总结:

1、空穴迁移率一般在10-3–10-4cm2V-1s-1之间;

2、空穴传输材料要有比钙钛矿价带更浅的HOMO能级;

3、玻璃转化温度Tg要高于120 ℃;

4、较窄带隙的空穴传输材料能吸收近红外光;

5、无针孔的空穴传输材料,避免电极与钙钛矿的接触,以及开发对厚度不敏感的空穴传输材料。


目前小分子空穴传输材料获得最好的器件效率已超过20%,下一步应致力于开发长时间光照和加热条件下稳定性好的空穴传输材料,延长钙钛矿的稳定性,从而实现从实验室加工到产业链加工。

图4. “效率树”。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


在这篇综述的最后,作者用“效率树”很形象的说明了目前介孔结构钙钛矿电池效率的发展情况。Spiro-OMeTAD以及FDT均获得了较高的效率,然而他们被选作空穴传输材料时需要添加剂,这对加工工艺以及器件长期的稳定性都存在很大的挑战。


空穴传输材料的设计之路还很漫长,需要业内科学家们的共同努力。“路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索”,用这句诗与同仁们共勉。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Hole-Transport Materials for Perovskite Solar Cells

Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 14522-14545, DOI: 10.1002/anie.201601757


(本文由科研趣生供稿)


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