空穴傳輸層影響鈣鈦礦電池穩(wěn)定性研究

張曉波，紀(jì) 浩，汪 琪，周 釗

（淮北師范大學(xué) 材料系，安徽 淮北 235000）

1 引言

自2009年Miyasaka小組首次報(bào)道鈣鈦礦太陽能電池（鈣鈦礦電池）以來,該電池效率由最初的3.8%[1]迅速飆升至2017年的22.1%[2]，達(dá)到與晶體硅電池可比擬的水平.在此背景下，鈣鈦礦電池的實(shí)用化受到越來越多的關(guān)注，鈣鈦礦電池穩(wěn)定性因而成為急需解決的突出問題.對鈣鈦礦電池穩(wěn)定性的研究，最初主要集中在空氣中濕氣、氧氣和光輻照對光吸收層鈣鈦礦材料降解方面[3].近來學(xué)界逐漸認(rèn)識到空穴傳輸層對電池穩(wěn)定性（主要是電池效率的穩(wěn)定）有重要影響[4].究其原因，這與空穴傳輸層能否有效隔離空氣中濕氣對光吸收層鈣鈦礦材料的侵蝕有關(guān).

2 空穴傳輸層影響鈣鈦礦電池穩(wěn)定性的研究進(jìn)展

根據(jù)文獻(xiàn)結(jié)果，當(dāng)前空穴傳輸層影響鈣鈦礦電池穩(wěn)定性的研究，主要集中在以下三方面內(nèi)容.

2.1 使用新的空穴傳輸材料

在正置結(jié)構(gòu)鈣鈦礦電池中，Spiro-OMeTAD是使用最為廣泛的空穴傳輸材料.作為p型半導(dǎo)體材料，Spiro-OMeTAD具有一般有機(jī)小分子材料共同的缺點(diǎn)：空穴遷移率低，材料的導(dǎo)電能力差.因此，研究者利用多種摻雜劑如：Li-TFSI、Ag-TFSI和F4-TCNQ等[5-7]對Spiro-OMeTAD進(jìn)行摻雜以提高其空穴導(dǎo)電能力.然而，摻雜也引入諸如Spiro-OMeTAD薄膜吸濕性增加和出現(xiàn)針孔等缺陷，導(dǎo)致光吸收層鈣鈦礦材料降解加快和電池效率衰減.因此，多種新的空穴傳輸材料如EH44[8]、BDT和BT[9]等替代Spiro-OMeTAD作為空穴傳輸材料，極大地提高了電池穩(wěn)定性.特別是空穴傳輸材料EH44，在摻雜其預(yù)氧化鹽構(gòu)成空穴傳輸層時(shí)，電池展示了極好的憎水性.圖1是基于空穴傳輸材料EH44電池在水中浸泡一分鐘后外觀形貌照片，表明空穴傳輸材料EH44的使用極大地提高了電池穩(wěn)定性.

圖1 基于摻雜10%預(yù)氧化鹽的空傳輸材料EH44電池在水中浸泡一分鐘后外觀形貌照片（引自參考文獻(xiàn)8）

在倒置結(jié)構(gòu)鈣鈦礦電池中，PEDTO:PSS是另一種廣泛使用的空穴傳輸材料.作為p型聚合物半導(dǎo)體材料，PEDTO:PSS由于其酸性、吸濕性和阻擋電子能力弱等原因，最近越來越多地被石墨烯氧化物和銅鹽、鎳鹽無機(jī)物代替.相比于PEDTO:PSS基鈣鈦礦電池，石墨烯氧化物和銅鹽、鎳鹽無機(jī)物等替代材料的使用極大提高了電池穩(wěn)定性.典型的工作如：韓禮元等人使用p型重?fù)诫sNixMg1-xO和n型摻雜TiOx分別抽取空穴和電子，制備的電池經(jīng)過1000h光照后仍保持最初效率的90%，顯示了極好的電池穩(wěn)定性[10].

2.2 空穴傳輸層結(jié)構(gòu)化

如上所述，使用新的空穴傳輸材料能夠提高電池穩(wěn)定性.除此之外，空穴傳輸層結(jié)構(gòu)化也是提高電池穩(wěn)定性的重要方法.清華大學(xué)林紅課題組利用石墨烯氧化物和未摻雜的PEDTO:PSS共同構(gòu)成空穴傳輸層，石墨烯氧化物和PEDTO:PSS分別承擔(dān)抽取和傳輸空穴的功能，從而提高了電池穩(wěn)定性[11].戚亞兵課題組利用真空沉積法制備了n-i-p結(jié)構(gòu)PEDTO:PSS空穴傳輸層，該結(jié)構(gòu)電池展示了極高的電池穩(wěn)定性：電池在空氣中放置840小時(shí)后，效率保持在初始效率9.1%不變[12].因此，空穴傳輸層結(jié)構(gòu)化提供了一種新的提高電池穩(wěn)定性的方法.

圖2 戚亞兵n-i-p結(jié)構(gòu)空穴傳輸層電池效率隨時(shí)間的變化關(guān)系（引自參考文獻(xiàn)11）

2.3 電池制備去空穴傳輸層

出于空穴傳輸材料成本昂貴（典型的如Spiro-OMeTAD）、空穴傳輸層對電池穩(wěn)定性可能的不利影響和電池簡單化等方面考慮，在電池制備中略去空穴傳輸層，即直接在光吸收層上制備碳電極，也是當(dāng)前鈣鈦礦電池研究的一個(gè)熱點(diǎn).由于碳材料的疏水性，碳電極能夠有效阻擋空氣中濕氣進(jìn)入電池，從而保護(hù)光吸收層，提高電池穩(wěn)定性.典型的工作如：韓宏偉等人在光吸收層上沉積了10μm炭黑/石墨烯的碳對電極，經(jīng)過1000小時(shí)電池效率仍然保持穩(wěn)定.這表明去空穴傳輸層也能極大地提高電池穩(wěn)定性[13].

3 總結(jié)與展望

綜上所述，空穴傳輸層對鈣鈦礦電池穩(wěn)定性的影響，首先也是最重要地，在于其能否有效地隔離空氣中濕氣進(jìn)入電池內(nèi)部.只有阻擋空氣中濕氣對鈣鈦礦材料的侵蝕和降解，鈣鈦礦電池才可能保持穩(wěn)定.這一點(diǎn)對正置結(jié)構(gòu)電池尤其重要.其次，空穴傳輸層的基本功能是阻擋電子、抽取和傳輸空穴；空穴傳輸層完成這三項(xiàng)基本功能的質(zhì)量也直接影響電池穩(wěn)定性，這一點(diǎn)在戚亞兵n-i-p結(jié)構(gòu)空穴傳輸層電池中得到印證.未來圍繞著電池穩(wěn)定性，針對空穴傳輸層的研究可能更多地從以下幾方面展開：（1）空穴傳輸層材料復(fù)合.空穴傳輸層要能夠有效地阻擋空氣中濕氣的侵蝕并最終達(dá)到實(shí)用化水平，仍需要在空穴傳輸層材料復(fù)合方面做大量的工作.（2）更深刻地理解空穴傳輸層阻擋電子、抽取和傳輸空穴等三項(xiàng)基本功能.目前對空穴傳輸層基本功能的理解還是較為局限的，更加深刻和全面地空穴傳輸層的基本功能對指導(dǎo)器件制備和提高電池穩(wěn)定性無疑具有十分重要的意義.