【好文】钙钛矿太阳能电池中D-A-D型空穴传输材料的研究进展

DOI：10.13550/j.jxhg.20200756

《精细化工》, 2021, 38(3): 439-453.

钙钛矿太阳能电池中D-A-D型空穴传输材料的研究进展

刘小雷，侯  芳，陆福泰*，邓启良

（天津科技大学 化工与材料学院，天津  300457）

写作背景

太阳能电池作为有效利用太阳能的方式，发展非常迅速。降低成本和提高光电转换效率（Power Conversion efficiency，PCE）以适应大规模的商业制造和应用，是目前太阳能电池研究的重点。太阳能电池技术通常可以分为3类：第一类是硅基太阳能电池，这类电池的PCE很高，但是其合成条件比较苛刻，制造成本相对较高；第二类是用砷化镓、硫化镉、碲化镉等化合物制造的化合物太阳能电池，由于其合成用材料都非常稀缺且具有毒性，所以难以得到大规模的商业应用；第三类是近年来发展快速的新型太阳能电池，如有机太阳能电池（OSCs）、染料敏化太阳能电池（DSSCs）和钙钛矿太阳能电池（PSCs），它们具有成本低、PCE较高、制备条件温和等优点。与有机和染料敏化太阳能电池相比，PSCs出现最晚，多为电子传输层/钙钛矿吸光层/空穴传输层的平面结构，其PCE（3.8%~25.2%）已超过晶硅电池，成为最有发展潜力的太阳能电池。

摘要：钙钛矿太阳能电池（PSCs）由于具有快速提升的光电转换效率、制备成本低、可溶液加工等优点而获得了广泛关注。空穴传输材料（HTM）负责空穴抽取和防止电荷复合，可提高PSCs的效率和稳定性，是PSCs中的重要组成部分。线型给体-受体-给体（D-A-D）结构的有机小分子空穴传输材料的结构简单，合成难度低。另外，吸电子单元的引入可以降低最高占据分子轨道（HOMO）能级，提高材料的稳定性，而且线型D-A-D构型有利于增强分子内电荷转移，提高材料的空穴传输能力。综述了2009年以来线型D-A-D类空穴传输材料在PSCs中的应用。详细介绍了各空穴传输材料分子结构对PSCs的光电转换效率和器件稳定性等性能的影响。最后，对未来线型D-A-D型空穴传输材料的发展进行了展望。

结论与展望

随着研究的不断深入，线型D-A-D结构的空穴传输材料因其结构简单、易合成、稳定性好和空穴迁移率高等特性而逐渐受到科研工作者的注意。但可以发现，部分电池的PCE与Spiro-OMeTAD仍然存在一定的差距，因此，设计合成一种完美的空穴传输材料，仍是PSCs的重要课题之一。未来如何能够将PSCs大规模商业化发展是努力的方向，而要实现这一目标，应该着重研究以下几方面：（1）在现有的研究基础上，设计合成出PCE更高、空穴迁移率更好的空穴传输材料，同时保证材料有合适的HOMO和LUMO能级，保证传输层和钙钛矿能级的匹配以及减少电荷复合；（2）结合现有的研究，选取更多比较有潜力的受体基团，通过引入不同的基团来提升材料的各项性能，从而完善材料；（3）电池的稳定性和合成成本一直是制造太阳能电池较为重要的影响因素，在选择合成原料时，应该始终控制成本，并利用现在逐渐发展的理论计算对材料的稳定性进行研究。随着数据的不断积累和研究的不断深入，研究出一种新型高效且稳定的空穴传输材料来取代Spiro-OMeTAD一定可以实现。

图文导读