基于无机空穴传输层的CsPbI3太阳能电池研究

许志刚,王建峰

(中国计量大学 理学院,浙江 杭州 310018)

诞生于2009年的钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cell,PSC)[1]近年来受到学术界和光伏行业的广泛关注。金属卤化物钙钛矿的化学通式为ABX3,其中A位是一价阳离子,B位是二价阳离子,X位是一价卤化物阴离子[2]。其具有高光吸收系数、可调带隙、高载流子迁移率和低生产成本等优点[3]。钙钛矿太阳能电池的长期稳定性是其实际应用的一大挑战[4-5]。与有机-无机杂化钙钛矿相比,全无机钙钛矿(如CsPbI3、CsPbBr3、CsPbIxBr3-x等)在暴露于光、湿气和高温时表现出更好的稳定性,是提高PSC稳定性的理想材料[6]。其中,CsPbI3是目前研究最多的无机钙钛矿之一。立方型CsPbI3的带隙Eg约为1.72 eV,是目前无机卤化铅钙钛矿中用于光伏的最合适带隙。据报道,通过适当的制造工艺和处理,稳定的黑色相CsPbI3太阳能电池的功率转换效率(Power Conversion Efficiency,PCE)可达约18%[7]。

除了钙钛矿层的稳定性,空穴传输层(Hole transport layer,HTL)的稳定性问题也不可忽视。相当多的工作已经证明HTL材料对电池的长期稳定性具有明显的影响。目前最常见的HTL材料为2,2′,7,7′-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9′螺二芴(Spiro-OMeTAD),但其容易在环境温度和湿度的影响下降解,导致电池的使用寿命缩短[8]。其它一些有机HTL材料,如聚3-正己基噻吩(P3HT)、双4-苯基2,4,6-三甲基苯基胺(PTAA)、聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)等,具有与Spiro-OMeTAD相当的性能,但也存在稳定性问题。而一些无机HTL材料,如NiOx[9]、CuOx[10]、Cu2O[11]、CuI[12]、CuSCN[13]等,则表现出较强的环境稳定性和较长的使用寿命。这些无机HTL材料在钙钛矿太阳能电池中的应用可以提高电池的长期稳定性。

根据肖克利-奎塞理论[14],单结太阳能电池的最佳带隙约为1.4 eV。……