双层空穴传输材料助力高效稳定钙钛矿太阳能电池 – 全球药品引进、药品注册、营销、国际医药贸易服务

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钙钛矿是当前备受关注的“明星”材料，已经被应用于光伏、热电、纳米等等多个领域，其中太阳光伏领域的应用无疑是最热门和最主要的方向。随着不同钙钛矿制备方法的发展，例如顺序沉积、蒸汽沉积以及抗溶剂方法，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率（PCE）一直在大步增长，最近认证效率已经达到23%。传统钙钛矿太阳能电池器件结构中的空穴传输层对于传输空穴、阻止电子及保护钙钛矿防止受到外界诸如湿气、热及氧气的影响都起到重要作用，不同的空穴传输材料被开发出来，用于钙钛矿电池器件以提高其性能，商业可得的有机空穴传输材料以2,2′,7,7′-四-（二甲氧基二苯胺）-螺芴（Spiro-OMeTAD）为代表，目前高效率的钙钛矿太阳能电池中几乎都有它的身影。但是，这类有机空穴传输材料成膜时如果没有掺杂剂，往往会表现出低的空穴迁移率，器件的效率较低；而加入掺杂剂，又会影响到器件寿命。此外，其他不含掺杂剂或者疏水空穴传输材料效率普遍不高，同时也面临着与合成相关的问题，而且重复性较差。

无机空穴传输材料拥有较好的空穴传输特性及稳定性，所以是非常好的替代品。但是，这类材料在钙钛矿层上加工困难，这拖累了其效率的提高。最近，韩国浦项工科大学（POSTECH）的Taiho Park教授课题组报道了一种基于氧化钨（WO₃）和Spiro-OMeTAD的可溶液加工的无机-有机双层空穴传输层。WO₃作为无机空穴传输材料，能级合适，化学性质稳定，不溶于水，而且环境友好。作者在WO₃多孔纳米材料上面旋涂上有机空穴传输材料Spiro-OMeTAD，这种WO₃ / Spiro-OMeTAD双层空穴传输层在钙钛矿太阳能电池中可实现高效率及高稳定性，最高效率可达21.44%。

双层空穴传输材料助力高效稳定钙钛矿太阳能电池

图1.（a）能级分布图，（b）双层空穴传输材料的示意。图片来源：Adv. Energy Mater.

WO₃ / Spiro-OMeTAD双层空穴传输层的结构由于具有较好的能级匹配，并没有对电荷传输产生不利影响（图1a）。由于WO₃的p型多孔层，可以形成更加平整且无孔的SpiroOMeTAD层（图1b），因此可以实现高效率及高稳定性。WO₃以及WO₃ / Spiro-OMeTAD的表面形貌通过原子力显微镜（AFM）和扫描电镜（SEM）进行了研究（图2），可以明显看出双层空穴传输层薄膜比单独WO₃或者单独Spiro-OMeTAD薄膜更加均一，粗糙度也更小。

双层空穴传输材料助力高效稳定钙钛矿太阳能电池

图2. AFM及SEM图。图片来源：Adv. Energy Mater.

作者基于WO₃ / Spiro-OMeTAD双层空穴传输层制备了平面结构的钙钛矿太阳能电池，由其截面SEM图（图3a），可以清晰的看出其器件结构：FTO / SnO₂ / Cs-perovskite / WO₃ / spiroOMeTAD / Au。由其电流-电压示意图（图3b）可以看出，存在一定的迟滞现象。由于WO₃提供了更深的价带，所以空穴的准费米能级会更深，因此双层界面的器件会有更高的开路电压（V_oc）。基于WO₃ / Spiro-OMeTAD双层空穴传输层器件的总体效率在19.4%上下，最高可达21.44%（图3c），高于单独Spiro-OMeTAD作为空穴传输材料的器件。其稳态的短路电流密度（J_sc）为21.2 mA/cm²，其稳态效率为19.2%。

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图3. （a）截面电镜示意图，（b）电流-电压曲线，（c）器件效率示意图，（d）稳态效率或者稳态电流示意图。图片来源：Adv. Energy Mater.

随后作者对其稳定性进行了一系列测试。发现在外部环境中，30天后双层空穴传输材料的器件比Spiro-OMeTAD的器件衰减变得更慢（图4a）。而对于热稳定性，双层空穴传输材料的器件则表现出了更加明显的优势（图4b）。在湿度超过80%的稳定性测试中，双层空穴传输材料的器件仍然优于单层材料的器件（图4c）。

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