有了这种廉价材料，下一代太阳能电池有望实现商业化

原文作者：Liyuan Han

前景最好的新一代太阳能电池受材料所限，难以商业化。现在，出现了一个可能的解决方案。

下一代太阳能电池技术中，前景最好的一种是以钙钛矿类材料作为核心的。钙钛矿太阳能电池可以高效地将光转化成电能（转化率约22%）[1]，但是必须使用有机空穴传输层（PTAA）或是2,2ʹ,7,7ʹ-四(N,N-二-对-甲氧基苯胺)-9,9ʹ-螺二芴（spiro-OMeTAD）来传输“空穴”，即电池发电机制下所产生的带有正电荷的准粒子。这些聚合物价格昂贵，因此限制了它们在商业太阳能电池中的使用。另一个问题是，为了增强空穴传输，必须在聚合物中加入微量被称为掺杂物的化合物，但是这种掺杂物会造成电池内钙钛矿层的分解[2,3]。Eui Hyuk Jung等人在《自然》杂志上发表了一篇论文，报告了一种特别的钙钛矿太阳能电池结构，能够使用较为廉价且不含掺杂物的聚合物作为空穴传输的材料，其转化率高达22.7%[4]。

围绕PTAA和spiro-OMeTAD的这些问题促使人们积极寻找替代品。已经有论文报告了较为廉价、无掺杂的材料[5-7]，以及稳定的新型掺杂物[8]，但是使用这些替代品制造的钙钛矿太阳能电池的能量转化率无法和PTAA与spiro-OMeTAD相提并论。因此，寻找一种廉价、高效、稳定性强，还能直接适用目前工业制造太阳能电池工艺的空穴传输材料仍然是一项挑战。

替代品之一是聚（3-己基噻吩）（P3HT）[2]。这种聚合物价格低，光电性质适合太阳能电池，还可以用于工业级生产工艺。但是，至今为止使用P3HT制造的钙钛矿电池的转化率均没有超过20%。为了理解P3HT的相关问题，我们先来看一下钙钛矿太阳能电池中的空穴传输材料是用来做什么的。

太阳能电池的基本原理是光线被一种“活性”材料——比如钙钛矿——吸收，并产生一对电荷载体：一个带负电的电子和一个带正电的空穴（见下图）。这两个电荷载体接下来会被分离，并传输到电路中不同的电极上，形成电流。一种做法就是将钙钛矿层用两种材料夹在中间，一种用来将空穴传给一个电极，一种用来将电子传给另一个电极。

图1 | 给钙钛矿太阳能电池多加一层。在太阳能电池里，钙钛矿等活性材料所吸收的光线会产生一个电子-空穴对；空穴是失去电子所产生的准粒子。电子和空穴会分离，并分别通过电子传输材料和空穴传输材料，直到到达电极处。在这个例子里，空穴会传到一个金电极上，而电子会移动到起电极作用的透明导体薄膜上。当电极被接在电路上的时候就会产生电流。聚合物聚（3-己基噻吩）（P3HT）是一种廉价的空穴传输材料，但是使用P3HT制造的太阳能电池能量转化效率很低。Jung等人在P3HT和钙钛矿层之间插入了一层被称为正己基三甲基溴化铵（HTAB）的材料。HTAB和P3HT之间分子链的叉指接触让该聚合物自组装成空穴传输能力极好的纤丝，从而提高太阳能电池的转化率。额外插入的这一层也可以增强电池的稳定性。

使用P3HT作为空穴传输材料的问题之一在于它和钙钛矿之间的物理接触不够好，因此材料间的空穴传输会受到限制[9]。另一个问题在于，电子和空穴会在钙钛矿和P3HT之间的界面上重新结合回去[10]。这种现象被称为非辐射复合，会导致能量损失。

Jung等人的创新之处是在钙钛矿层上覆盖了一种传输电子能力较差的材料；作者将这种材料称为宽能隙卤化物（WBH）。WBH阻止了电子在钙钛矿层和P3HT之间的传输，因此减少了界面上的非辐射复合。

这个WBH层是通过一种叫做正己基三甲基溴化铵（HTAB）的化合物与钙钛矿层表面反应现场生成的。组成HTAB的分子包含了一个亲水的头部和一个疏水的尾部。由于范德华力，HTAB的尾部和P3HT疏水的支链会发生很强的反应（见图1），并导致P3HT的分子在WBH的表面上自组装成纤丝结构。

图2|空穴传输材料的整体结构。a，聚合物P3HT可以用来传输太阳能电池里被称为空穴的电荷载体，通常是非晶形态。b，Jung等人制造太阳能电池的工艺让P3HT自组装成纤丝结构。纤丝结构的P3HT的空穴传输性能是非晶形态的10000倍。图中比例尺为600纳米。

P3HT的整体结构会影响到它的电荷传输性能：纤丝结构的P3HT的空穴传输性能[11]是非晶形态的10000倍[12]，因此Jung等人就不必使用增强空穴传输性能的掺杂物了。此外，HTAB分子有效地中和了钙钛矿表面的电荷缺陷，这帮助减少了钙钛矿-P3HT界面上发生的电荷复合。

在钙钛矿太阳能电池中使用纤丝结构的WBH层所产生的这些效果，让Jung等人取得了出色的22.7%的转化率。和对照组中不使用WBH层的电池相比，他们的电池稳定性大幅提高了——使用模拟地表阳光的强度和光谱的光照连续照射1370小时之后，塑料封装的WBH电池仍然保有初始95%的能量转化率。这种稳定性可以归因于使用了无掺杂物的P3HT。无封装的电池也比对照组中不使用WBH的电池有着更强的防水性，这是HTAB的疏水尾部产生的效果。

最后，Jung等人还表明，工业中常用的两种制备薄膜的方法——旋涂法和棒涂法——都可以用来制备覆有WBH和P3HT的钙钛矿元件，面积约25平方厘米。与之相比，研究中相比较的其他太阳能电池都只有0.09平方厘米。使用这两种工业方法制备的大号元件所生产的太阳能电池有着几乎相同的能量转化率，这意味着文章中描述的太阳能电池结构可以可靠地实现大规模商业化生产。

这种钙钛矿太阳能电池价格低廉，转化率高。我们有理由相信它会在商业上成为现在最常用的硅太阳能电池的可行替代品。商业化最大的难题在于稳定性——接下来我们不仅需要研究如何提高钙钛矿的稳定性，还需要研究电荷传输材料和电极的稳定性。Jung等人证明了P3HT可以成为一种稳定而有效的电荷传输材料，这可能会加速钙钛矿太阳能电池进入市场的脚步。

参考文献：

1. Yang, W. S. et al. Science 356, 1376–1379 (2017).

2. Zhang, M. et al. Chem. Eur. J. 21, 434–439 (2015).

3. Wang, Y., Yue, Y., Yang, X. & Han, L. Adv. Energy Mater. 8, 1800249 (2018).

4. Jung, E. H. et al. Nature 567, 511–515 (2019).

5. Liu, J. et al. Energy Environ. Sci. 7, 2963–2967 (2014).

6. Jiang, X. et al. J. Mater. Chem. A 5, 17862–17866 (2017).

7. Zhang, J. et al. Adv. Energy Mater. 8, 1701209 (2018).

8. Yue, Y. et al. Adv. Mater. 28, 10738–10743 (2016).

9. Brauer, J. C., Lee, Y. H., Nazeeruddin, M. K. & Banerji, N. J. Phys. Chem. Lett. 6, 3675–3681 (2015).

10. Stolterfoht, M. et al. Preprint at https://arxiv.org/abs/1810.01333 (2018).

11. Sirringhaus, H. et al. Nature 401, 685–688 (1999).

12. Kim, Y. et al. Nature Mater. 5, 197–203 (2006).

原文以Solar cells boosted by an improved charge-carrying material为标题

发布在2019年3月27日《自然》新闻与观点上

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Nature|doi:10.1038/d41586-019-00936-x

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