以P3HT作為空穴傳輸材料的高效穩定的鈣鈦礦太陽能電池

鈣鈦礦太陽能電池被認為最有潛力的光伏技術之一，在近十年來獲得了飛速的發展。合適空穴傳輸材料一直是實現高性能穩定的鈣鈦礦太陽能電池關鍵之一。目前，高性能的鈣鈦礦太陽能電池一般採用的空穴傳輸材料是PTAA和spiro-OMeTAD，但是由於這兩材料的高成本、器件穩定性以及薄膜沉積方式上的局限性限制了其器件的商業化應用。聚3-正己基噻吩(Poly(3-hexylthiophene), P3HT)具有低成本、易於製備的優點，被認為是一種具有潛在優勢的空穴傳輸材料。然而由於P3HT在與鈣鈦礦界面處存在非輻射複合，導致其開路電壓不高，並且與鈣鈦礦材料的強電子耦合也導致其電子壽命與spiro-OMeTAD存在差距，較差的物理接觸也限制了空穴傳輸，因此使用P3HT作為空穴傳輸材料的鈣鈦礦太陽能電池最高效率僅達到16%。

成果簡介：

韓國化學技術所使用一種雙層滷化物結構的太陽能電池結構，實現了22.7%的效率以及1370小時的95%初始穩定性。該項成果被發表在《nature》上。

雙層鈣鈦礦結構的太陽能電池：

圖1 雙層滷化物結構的鈣鈦礦太陽能電池結構及滷化物薄膜結構雙層滷化物體系(DHA)是指在窄帶隙(NBH)的鈣鈦礦吸光層上沉積一層超薄寬帶隙滷化物(WBH)的結構，類似於軌跡太陽能電池的薄層異質結。使用正己基三甲基溴化銨(HTAB)在鈣鈦礦層原位反應形成寬帶隙滷化物層，HTAB分子由一個功能化的N+(CH3)3-和一個脂肪族部分C6H13-，前者可以提高鈣鈦礦層的潮溼條件下的穩定性，而後者與P3HT的範德華作用有利於P3HT的自組裝。

NBH和P3HT的範德華相互作用：

圖2 P3HT的結構與性能

原子力顯微鏡圖像表明具有雙層滷化物結構的器件中的P3HT具有自組裝的纖維結構形成了強的π-π相互作用，大大提高了電荷遷移率。拉曼光譜也表明自組裝的纖維結構表現出堆成的C=C拉伸。從不同入射角的GIWAXS測試也表明P3HT在DHA表面具有特定的取向。進一步研究表明，HTAB處理產生的DHA具有與P3HT最好的相互作用表面，太陽能電池期間也表現出最佳的性能。

光伏器件性能：

圖3 使用P3HT的基於DHA太陽能電池的光伏性能

沒有任何摻雜劑的情況下，P3HT作為空穴傳輸層的DHA鈣鈦礦太陽能電池可以得到超過23%的效率。Mott-Schottky圖也表明DHA結構的太陽電池由於VOC的增加具有更高的平帶電位。統計實驗也表明使用P3HT的DHA電池的效率是具有重複性的。

環境穩定性大面積電池性能：

圖4 穩定性測試和5 cm×5 cm電池模塊

在85%相對溼度條件下，DHA結構的太陽電池保持80%的初始效率超過1000小時，在一個太陽光照射下，保持95%的初始效率達1370小時。5 cm×5 cm電池模塊效率也達到了16%。

小結：

1. 使用DHA結構能夠有效緩解P3HT作為空穴傳輸層的缺點，並使太陽能電池器件效率大大提高。

2. 使用HTAB來進行WBD的原位合成可以有效改善P3HT的形貌，從而提高P3HT的電荷傳輸性能，同時HTAB引入大大提高了器件的適度穩定性。

3. 使用P3HT作為空穴傳輸層的DHA太陽能電池在大面積電池組件中也表現出優異的性能。

參考文獻

Jung, E.H. et al. Efficient, stable and scalable perovskite solar cells using poly(3-hexylthiophene). Nature 567, 511–515 (2019).

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1036-3