高效钙钛矿太阳能电池中, 最常用的吸光材料是CH3NH3PbI3, 其带隙约为1.5 eV[20], 能充分吸收400~800 nm的可见光, 比钌吡啶配合物N719高出一个数量级。CH3NH3PbI3吸光材料有很好的电子传输能力, 并具有较少的表面态和中间带缺陷, 有利于光伏器件获得较大的开路电压, 是钙钛矿太阳能电池能够实现高效率光电转化的原因。
目前常用的空穴传输材料(Hole transport material, HTM)有spiro-MeOTAD、P3HT(聚3-己基噻吩)、CuI和CuSCN等。韩国Noh研究团队[44]以PTAA作为HTM, 所制备的太阳能电池最高光电转换效率为12%。Giacomo等[24]分别以P3HT和Spiro- OMeTAD作为HTM制备钙钛矿太阳能电池, 对比发现两者光电转换效率十分相近, 但引入P3HT的器件开路电压(Voc)达到0.93 V, 高于引入Spiro- OMeTAD器件的开路电压(Voc= 0.84 V)。
在引入空穴传输层的钙钛矿太阳能电池中, 对空穴传输层的厚度有较高的要求。例如spiro- OMeTAD层应较薄, 以使空穴从spiro-OMeTAD中传输到对电极的阻力最小化, 而典型钙钛矿吸光材料的电导率一般在10-3S/cm数量级, 为了防止钙钛矿吸光膜层和对电极中发生电流短路现象, spiro- OMeTAD厚度又应适当增加。鉴于以上原因, 空穴传输膜层的厚度必须通过不断的实验探索才能达到最优化。另外, 还可通过采用渗透性更好的空穴传输材料来获得更高的填充系数和光电转换效率。
针对目前常用的空穴传输材料spiro-OMeTAD合成路线复杂、价格昂贵等问题, 科研人员研制了一系列易于合成且成本低廉的小分子作为空穴传输材料。Christians和Qin等[45, 46]分别以CuI和CuSCN作为空穴传输材料, 实验结果表明CuI的导电性比spiro-OMeTAD好, 可以有效改善器件的填充因子, 获得6%的光电转换效率; 而CuSCN中空穴传输速率为0.01~0.1 cm2· V/s, 远高于spiro-OMeTAD中空穴传输速率, 使得器件短路电流大大增加, 光电转换效率为12.4%。这些新型无机空穴传输材料在未来大规模研究和应用中, 有望作为spiro-OMeTAD的替代品降低电池的原料成本。
最近Fang等[47]采用紫外臭氧表面处理和氯元素界面钝化两个关键技术, 首次在一种结构为FTO/CH3NH3PbI3-xClx /Spiro-OMe TAD/Au无空穴阻挡层的钙钛矿太阳能电池上取得了1.06 V的开路电压和14%的光电转化效率。
