Page 20 - 《精细化工》2021年第3期
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·440·                             精细化工   FINE CHEMICALS                                 第 38 卷

            再生能源，如太阳能、风能、潮汐能等。太阳能因                             层（mp-TiO 2 ）/钙钛矿层/空穴传输层/Au〕和平面
            其具有分布广泛、取之不尽、用之不竭、清洁无污                             型。而根据与导电玻璃基底接触的是空穴传输层还
                                                      [1]
            染等优点，成为各国研究人员共同关注的热点 。                             是电子传输层，又可以将平面型电池分为 n-i-p 型
                 太阳能电池作为有效利用太阳能的方式，发展                          （结构组成为 TCO/致密 TiO 2 层/钙钛矿层/空穴传输
            非常迅速。降低成本和提高光电转换效率（Power                           层/Au 或 Ag）和 p-i-n 型（结构组成为 TCO/空穴传
            Conversion efficiency，PCE）以适应大规模的商业                输层/钙钛矿层/电子传输层/Ag 或 Al）。
            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                                         图 1   PSCs 的基本结构   [8-9]
                                                                        Fig. 1    Basic structure of PSCs [8-9]
            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                               PSCs 的工作原理为太阳光照射到钙钛矿吸收
            池（PSCs），它们具有成本低、PCE 较高、制备条                         层后，受光激发产生了电子-空穴对，随后电子转移
            件温和等优点       [2-3] 。与有机和染料敏化太阳能电池相                 到电子传输层，空穴转移到空穴传输层，最后导电
            比，PSCs 出现最晚，多为电子传输层/钙钛矿吸光层/                        玻璃电极收集电子，金属对电极收集空穴，外部连
            空穴传输层的平面结构，其 PCE（3.8%~25.2%）已                      接电路，形成闭合回路，产生电流                [10] 。
            超过晶硅电池，成为最有发展潜力的太阳能电池                      [4-5] 。
                                                               2   空穴传输材料
            1  PSCs 简介
                                                               2.1    空穴传输层的作用、要求和分类
            1.1    PSCs 的发展                                        空穴传输材料作为 PSCs 的重要组成部分，主要
                                   [4]
                 2009 年，KOJIMA 等 开始研究 PSCs，他们在                 作用是传输空穴并且阻挡电荷复合，进而提高电池
            染料敏化太阳能电池中使用钙钛矿（CH 3 NH 3 PbI 3 ）                  的稳定性和使用寿命。理想的空穴传输材料需要满
                                                     3–
                                                   –
            代替染料作为吸光层，基于液态电解质（I /I ）获                          足以下几个条件       [11-13] ：（1）合适的能级，保证空穴在
                                            [6]
            得了 3.81%的 PCE。2011 年，IM 等 通过优化二氧                   各个界面的有效传输和注入；（2）较高的迁移率，
            化 钛表面 和钙 钛矿吸 收层 沉积方 法， 将液 态                        保证将钙钛矿层的空穴快速传递到对电极；（3）良
            CH 3 NH 3 PbI 3 太阳能电池的 PCE 提高到 6.5%。尽管             好的疏水性，延缓钙钛矿的水化和降解，提高电池
            效率有所提高，但仍然存在钙钛矿易溶解到液体电                             的稳定性；（4）良好的溶解性，容易成膜以及制备
            解质中和器件稳定性差的问题。2012 年，KIM 等                   [7]   器件；（5）形成的无定型膜具有良好的热稳定性；
            将 CH 3 NH 3 PbI 3 沉积在介孔 TiO 2 层上作为吸光材料，            （6）商业化生产成本较低。
            首次用 2,2′,7,7′-四[N,N′-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9′-               目前，应用于 PSCs 的空穴传输材料主要分为
            螺二芴（Spiro-OMeTAD）代替液体电解质，所制备                       无机半导体、有机聚合物和有机小分子。其中，有
            的 PSCs 获得了 9.7%的 PCE，电池器件的稳定性也                     机小分子空穴传输材料因其分子结构确定且多样
            有明显改善。固态空穴传输材料的使用大大提高了                             化、合成简单、批量重复性好以及效率较高等优点，
            电池的 PCE 及稳定性，是 PSCs 发展过程中的重大                       成为研究最多也是最常用的空穴传输材料                   [14] 。研究
            突破。自此之后，在短短几年时间里，经过科学家                             者通过分子设计合成了大量的有机小分子空穴传输
            不 断深入 探索 ， PSCs 的 最高转 换效 率已达 到                     材料，探究空穴传输材料的分子结构特点以及作用
                  [3]
            25.2% 。                                            机理，为高效空穴传输材料的设计开发提供了理论
            1.2  PSCs 的基本结构和工作原理                               指导。
                 PSCs 结构由导电玻璃基底（TCO）、电子传输层                         有机小分子空穴传输材料按照构型主要可分
            （ETL）、钙钛矿光吸收层（Perovskite）、空穴传输                     为螺型、星型和线型 3 类。其中，目前使用最多最
            层（HTM）和金属对电极（Au、Ag 或 Al）组成（见                       经典的 Spiro-OMeTAD（图 2）就是一种螺型空穴传
            图 1）。一般来说，可以将 PSCs 根据有无骨架层分                        输材料。在掺杂状态下，其在介孔型 PSCs 的最高
                                                               效率可达 21.6%    [15] 。但是与其他螺型空穴传输材料
            为介孔型 〔结构组成为 TCO/致密 TiO 2 层/介孔 TiO 2
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