Small Methods: 二硫化钛——用于钙钛矿光伏的廉价空穴传输材料

近年来,有机无机杂化铅卤素钙钛矿太阳能电池以其优异的光伏性能,广泛应用在光电和光伏器件中,相关研究取得了显著进展。尤其是钙钛矿太阳能电池,在短短几年时间里,它的能量转换效率已经达到22.1%(第三方认证),同时大面积电池器件认证效率也已经突破15%,产业化前景光明。

钙钛矿太阳能电池通常是多层结构,钙钛矿吸光层位于电子传输层和空穴传输层之间,而载流子传输层对于器件效率和稳定性影响巨大。目前多数钙钛矿太阳能电池都采用传统的有机空穴传输材料,典型的如,Spiro-OMeTAD和PTAA。然而,这类材料合成提纯相对复杂,所以价格昂贵。此外,这类材料的长期稳定性堪忧:为了提高有机空穴传输材料的电导率和空穴迁移率,常用锂和/或钴盐作为添加剂。添加剂的化学活性和吸湿性,对器件的稳定性产生了严重的影响。尽管基于有机传输层的钙钛矿器件能够获得较高的光电转换效率,但其商业化进程并不被看好。

无机半导体材料成本低、稳定性好、合成方便、迁移率高且不需要添加剂,因而是取代有机空穴传输层的一个主要策略。但是目前没有一种无机半导体材料能满足所有电池器件对空穴传输层的要求:如高空穴迁移率、载流子浓度、合适的能级匹配和结构稳定性。目前已报道的无机空穴传输材料有CuSCN,CuI,NiO,CuxO和FeS2等,相关器件都能获得较高的效率。然而,这些材料的器件集成方法都有一定的局限性:例如,CuSCN和CuI的沉积使用二丙硫化物作为溶剂,它可以部分降解钙钛矿层,从而影响器件稳定性。又如,NiOx等材料的制备过程中需要高温处理。

近日,瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL Valais)的M. K. Nazeeruddin教授课题组和伊朗塔比阿特莫达勒斯大学(Tarbiat Modares University)的Ahmad Moshaii教授课题组合作,以简单的两步热注射法合成了一种新型的TiS2纳米粒子,并用作钙钛矿太阳能电池的空穴传输层。相关的太阳能电池器件采用了制备的FTO/TiO2(b)/TiO2(m)/(FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15/TiS2/Au结构。研究表明,TiS2纳米颗粒显示出良好的能级匹配和空穴传输性能,从而实现了能量转换效率超过13.5%的太阳能电池器件。进一步优化薄膜厚度和防止颗粒氧化可以显著提高器件的效率。值得一提的是,该工艺不仅避免了高温和极性溶剂(造成对钙钛矿伤害),而且其成本比Spiro-OMeTA低30倍(0.046美元对1.36美元)。这表明TiS2是一种高效、低成本的制备钙钛矿太阳能电池的空穴传输材料。该研究为实现钙钛矿太阳能电池产业化提供了新的思路。

相关工作发表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201700250)上,通讯作者为M. K. Nazeeruddin教授和Ahmad Moshaii教授,共同第一作者为瑞士洛桑联邦理工学院的Aron J. Huckaba博士和伊朗塔比阿特莫达勒斯大学的Saba Gharibzadeh。

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