獲得高效鈣鈦礦太陽電池的條件有哪些
目前常用的空穴傳輸材料(Hole transport material, HTM)有spiro-MeOTAD、P3HT(聚3-己基噻吩)、CuI和CuSCN等。韓國Noh研究團隊[44]以PTAA作為HTM, 所制備的太陽能電池最高光電轉換效率為12%。Giacomo等[24]分別以P3HT和Spiro- OMeTAD作為HTM制備鈣鈦礦太陽能電池, 對比發現兩者光電轉換效率十分相近, 但引入P3HT的器件開路電壓(Voc)達到0.93 V, 高於引入Spiro- OMeTAD器件的開路電壓(Voc= 0.84 V)。
在引入空穴傳輸層的鈣鈦礦太陽能電池中, 對空穴傳輸層的厚度有較高的要求。例如spiro- OMeTAD層應較薄, 以使空穴從spiro-OMeTAD中傳輸到對電極的阻力最小化, 而典型鈣鈦礦吸光材料的電導率壹般在10-3S/cm數量級, 為了防止鈣鈦礦吸光膜層和對電極中發生電流短路現象, spiro- OMeTAD厚度又應適當增加。鑒於以上原因, 空穴傳輸膜層的厚度必須通過不斷的實驗探索才能達到最優化。另外, 還可通過采用滲透性更好的空穴傳輸材料來獲得更高的填充系數和光電轉換效率。
針對目前常用的空穴傳輸材料spiro-OMeTAD合成路線復雜、價格昂貴等問題, 科研人員研制了壹系列易於合成且成本低廉的小分子作為空穴傳輸材料。Christians和Qin等[45, 46]分別以CuI和CuSCN作為空穴傳輸材料, 實驗結果表明CuI的導電性比spiro-OMeTAD好, 可以有效改善器件的填充因子, 獲得6%的光電轉換效率; 而CuSCN中空穴傳輸速率為0.01~0.1 cm2· V/s, 遠高於spiro-OMeTAD中空穴傳輸速率, 使得器件短路電流大大增加, 光電轉換效率為12.4%。這些新型無機空穴傳輸材料在未來大規模研究和應用中, 有望作為spiro-OMeTAD的替代品降低電池的原料成本。
最近Fang等[47]采用紫外臭氧表面處理和氯元素界面鈍化兩個關鍵技術, 首次在壹種結構為FTO/CH3NH3PbI3-xClx /Spiro-OMe TAD/Au無空穴阻擋層的鈣鈦礦太陽能電池上取得了1.06 V的開路電壓和14%的光電轉化效率。