第一作者：Eui Hyuk Jung

通讯作者：Jangwon Seo、Jun Hong Noh

通讯单位：韩国KRICT

研究亮点：

1. 巧妙利用一种导电性差的材料（宽带隙卤化物，WBH）覆盖钙钛矿层，有效减少界面处的电荷复合。

2. 基于低成本的P3HT空穴传输材料，在不需要任何掺杂剂的情况下，实现了22.7%的钙钛矿太阳能电池认证效率！

问世至今，钙钛矿太阳能电池已经走过了十年。从最初的星星之火到如今的燎原之势，发展不可谓不迅猛。然而，夺取硅基太阳能电池的霸主之位，拯救光伏产业的临门一脚，却迟迟未能实现。

其中一个至关重要的问题在于，人们始终没有找到一种合适的空穴传输材料：

1）高效钙钛矿光伏器件目前需要采用PTAA或者spiro-OMeTAD作为空穴传输层，而这两种材料价格昂贵。

2）除此之外，往往还需要加入掺杂剂以增强空穴传输能力，而掺杂剂又会导致钙钛矿层降解。

2019年3月27日，韩国科学家Jangwon Seo、Jun Hong Noh团队提出了一种高效钙钛矿太阳能电池器件架构，使用低成本的P3HT作为空穴传输材料，不需要任何掺杂剂，实现了22.7%的认证效率！韩礼元教授收邀在Nature发表评论文章，对此成果进行了点评。

全新的器件架构丨Nature

难在哪里？

为了寻找PTAA或者spiro-OMeTAD的替代材料，人们进行了各种尝试。P3HT由于具有价格便宜，优异的光电特性，并适用于工业规模的制造而被视作候选之一。问题在于，长期以来，基于P3HT的钙钛矿光伏器件效率一直偏低，最高也只有16%左右。

怎么办呢？让我们从钙钛矿光伏器件中的空穴传输层开始讲起。

太阳能电池的一般由“活性”材料（如钙钛矿）吸收光，产生一对电荷载流子，即带负电的电子和带正电的空穴；然后，电荷载流子分离并传送到电路中的不同电极，从而产生电流。因此，必须将钙钛矿夹在两层材料之间，一层材料传输电子，一层材料传输空穴。

使用P3HT作为空穴传输材料主要存在2个问题：

1）P3HT与钙钛矿的物理接触很差，从而限制了材料之间的空穴传递。

2）电子和空穴可以在钙钛矿-P3HT界面处进行非辐射复合，导致能量损失。

创新在哪里？

韩国研究团队的关键创新之处在于，利用一种导电性差的材料（宽带隙卤化物，WBH）覆盖钙钛矿层。由于WBH阻止钙钛矿层和P3HT之间的电子转移，因此有效减少界面处的电荷复合。

这种WBH层是通过正己基三甲基溴化铵（HTAB）与钙钛矿层的表面原位反应生成，由疏水尾部和亲水头部组成。由于范德瓦尔斯作用力，HTAB的尾部与P3HT的疏水侧链具有强烈相互作用，这些相互作用导致P3HT中的分子在WBH表面自组装形成纤维状。

空穴传输材料丨Nature

P3HT的整体结构影响其电荷传输性质，纤维状P3HT中的空穴迁移率比无定形形式P3HT中的空穴迁移率高约10,000倍，这意味着不需要再使用掺杂剂来改善空穴传输。此外，HTAB分子能有效地中和钙钛矿晶体表面的带电缺陷，有助于减少在钙钛矿-P3HT界面处发生的非辐射复合。

前景如何？

基于以上改进，研究团队实现了22.7％的认证效率，滞后为±0.51％。在封装情况下，室温1-sun照射下具有长达1,370小时的操作稳定性，保持95％的初始效率。研究人员认为，这种优异的稳定性归因于使用了不含掺杂剂的P3HT。由于HTAB分子的疏水性尾部，未封装的器件也显示出更好的防潮性，在85％的相对湿度下表现出良好的稳定性。

光伏性能丨Nature

稳定性测试和大面积模组丨Nature

研究团队表示，P3HT也可以通过使用旋涂、刮涂法扩展到大面积模组（24.97 cm²），并分别实现16.3%和16.0％的效率，这表明这种太阳能电池架构可以可靠地大规模生产，实现商业应用。

总之，这项研究成果对于加速钙钛矿太阳能电池的商业化进程，起到了重要推动作用！

参考文献：

1. Eui Hyuk Jung, Jun Hong Noh, JangwonSeo et al. Efficient, stable and scalable perovskite solar cells usingpoly(3-hexylthiophene). Nature 567, 511–515, 2019.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1036-3

2. Liyuan Han. Solar cells boosted by animproved charge-carrying material. Nature 2019, 567, 465-467.

https://www.nature.com/articles/d41586-019-00936-x