到目前為止，只有兩種有機(jī)空穴傳輸材料引領(lǐng)鈣鈦礦太陽能電池的最先進(jìn)性能：聚三芳基胺（PTAA）2-5和spiro-OMeTAD。但是，這些材料在商業(yè)化方面有幾個缺點(diǎn)，包括高成本，需要抑制鈣鈦礦層降解的吸濕性摻雜劑以及沉積工藝的局限性。聚（3-己基噻吩）（P3HT）是一種替代的空穴傳輸材料，具有優(yōu)異的光電性能，低成本且易于制造，但是到目前為止，使用P3HT的鈣鈦礦太陽能電池的效率僅達(dá)到約16%。本文提出了一種高效的鈣鈦礦太陽能電池的器件架構(gòu)，該器件使用P3HT作為空穴傳輸材料而沒有任何摻雜劑。通過在鈣鈦礦表面上的正己基三甲基溴化銨的原位反應(yīng)，在窄帶隙光吸收層的頂部形成寬帶隙鹵化物鈣鈦礦的薄層。器件的認(rèn)證轉(zhuǎn)換效率為22.7％，磁滯為±0.51％；在不封裝的情況下，在85％相對濕度下表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性；封裝后，在室溫下于一個太陽光強(qiáng)照射下顯示了1370小時的長期運(yùn)行穩(wěn)定性，保持了95％的初始效率。將平臺擴(kuò)展到大面積模塊（24.97平方厘米），該模塊使用可擴(kuò)展的棒涂法制造以沉積P3HT，并實(shí)現(xiàn)了16.0％的功率轉(zhuǎn)換效率。通過使用寬帶隙鹵化物來實(shí)現(xiàn)P3HT作為空穴傳輸材料的潛力，可能是鈣鈦礦太陽能電池研究的重要方向。
圖1 基于P3HT的鈣鈦礦太陽能電池的雙層鹵化物體系結(jié)構(gòu)。 a，左，是基于DHA的n-i-p鈣鈦礦太陽能電池的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使用P3HT作為空穴傳輸材料。 FTO，摻氟氧化錫； d-TiO2，致密的二氧化鈦； mp-TiO2，中孔二氧化鈦。右圖，WBH和P3HT之間的接口的結(jié)構(gòu)示意圖。 b，c，NBH（b）和DHA（c）的GIWAXS模式。為了獲得相應(yīng)樣品的表面結(jié)晶信息，將X射線束的入射角設(shè)置為0.10°。 d，e，原始NBH表面（d）和DHA的WBH表面（e）的掃描電子顯微鏡圖像。 f，g，表面附近的NBH（f）和DHA（g）的橫截面HRTEM圖像。比例尺：1μm（d，e）;10 nm（f，g）。 圖2 WBH和P3HT之間的范德華相互作用。 a，b，鈣鈦礦對照品上的P3HT（a）和DHA上P3HT的原子力顯微鏡相圖（b）。比例尺，600 nm。 c，在514 nm激發(fā)下，具有P3HT層（FTO / d-TiO2 / mp-TiO2 / NBH /（WBH）/ P3HT）的對照和DHA樣品的拉曼光譜。 d，e，沿P3HT的（100）峰的控制（d）和DHA（e）器件的極方位角切割，X射線束的入射角分別為（0.08°，0.10°，0.12°，0.14°和0.19°）。 f，從d和e中的相應(yīng)數(shù)據(jù)獲得的最大半角全切。
接下來，研究WBH中HTAB的脂肪族部分對P3HT沉積的影響。使用原子力顯微鏡觀察原始鈣鈦礦（NBH）頂部和DHA（WBH / NBH）頂部P3HT層的形態(tài)，在對照樣品中，P3HT層沿鈣鈦礦晶粒顯示出平滑的形態(tài)。在DHA樣品中，觀察到自組裝的P3HT的原纖維結(jié)構(gòu)。通過對照和從GIWAXS測量獲得的具有不同入射角的DHA沿P3HT（100）峰的方位角切割證明用HTAB處理可產(chǎn)生具有與P3HT相互作用的最佳表面的DHA（圖2d，e）。可以認(rèn)定WBH中HTAB的烷基鏈與P3HT聚合物相互作用，從而形成高度取向的自組裝P3HT層。
圖4 基于P3HT的DHA太陽能電池的環(huán)境穩(wěn)定性和大規(guī)模制造。 a，在室溫下相對濕度為85％的情況下，未封裝的對照和DHA設(shè)備的濕度穩(wěn)定性測試結(jié)果。插圖為對照（左）和DHA（右）設(shè)備在室溫和85％相對濕度下200小時后的照片。 b，通過跟蹤1-Sun照明下最大功率點(diǎn)對封裝的控制和DHA設(shè)備進(jìn)行操作穩(wěn)定性測試的結(jié)果。 c，5 cm×5 cm DHA基太陽能模塊的照片。根據(jù)五個單獨(dú)區(qū)域測量值的平均值，指定的照明區(qū)域估計為24.97 cm2。比例尺，1厘米。 d，通過使用旋涂（橙色）和棒涂（紫色）方法沉積P3HT層而形成的DHA基太陽能模塊的電流-電壓（IV）曲線。
WBH層顯著改善了鈣鈦礦的耐濕性以及鈣鈦礦/ HTL界面處的界面接觸。因此，濕氣穩(wěn)定性和照明穩(wěn)定性均得到顯著改善。在沒有封裝的情況下，在85％RH的濕度下，經(jīng)過1000小時的老化后，基于WBH的PSC仍保持其初始PCE的80％以上，而沒有WBH的PSC在200 h內(nèi)完全降解。在光照下，具有WBH的PSC在1370 h內(nèi)保持> 95％的初始PCE，而沒有WBH的PSC在100 h內(nèi)迅速衰減。并以5 cm×5 cm的尺寸制造了基于DHA的模塊（，并使用兩種不同的沉積方法-旋涂和棒涂-來沉積P3HT層。兩種模塊的性能相似，對于使用旋涂和棒涂工藝制造的器件，其PCE分別為16.3％和16.0％。
原文信息：
E. H. Jung, N. J. Jeon, E. Y. Park, C. S. Moon, T. J. Shin, T.-Y. Yang,
J. H. Noh, J. Seo, Efficient, stable and scalable perovskite solar cells
using poly(3-hexylthiophene)，Nature 2019, 567, 511.
