Small Methods：二硫化鈦——用於鈣鈦礦光伏的廉價空穴傳輸材料

近年來，有機無機雜化鉛鹵素鈣鈦礦太陽能電池以其優異的光伏性能，廣泛應用在光電和光伏器件中，相關研究取得了顯著進展。尤其是鈣鈦礦太陽能電池，在短短几年時間裡，它的能量轉換效率已經達到22.1%（第三方認證），同時大面積電池器件認證效率也已經突破15%，產業化前景光明。

鈣鈦礦太陽能電池通常是多層結構，鈣鈦礦吸光層位於電子傳輸層和空穴傳輸層之間，而載流子傳輸層對於器件效率和穩定性影響巨大。目前多數鈣鈦礦太陽能電池都採用傳統的有機空穴傳輸材料，典型的如，Spiro-OMeTAD和PTAA。然而，這類材料合成提純相對複雜，所以價格昂貴。此外，這類材料的長期穩定性堪憂：為了提高有機空穴傳輸材料的電導率和空穴遷移率，常用鋰和/或鈷鹽作為添加劑。添加劑的化學活性和吸濕性，對器件的穩定性產生了嚴重的影響。儘管基於有機傳輸層的鈣鈦礦器件能夠獲得較高的光電轉換效率，但其商業化進程並不被看好。

無機半導體材料成本低、穩定性好、合成方便、遷移率高且不需要添加劑，因而是取代有機空穴傳輸層的一個主要策略。但是目前沒有一種無機半導體材料能滿足所有電池器件對空穴傳輸層的要求：如高空穴遷移率、載流子濃度、合適的能級匹配和結構穩定性。目前已報道的無機空穴傳輸材料有CuSCN，CuI，NiO，CuxO和FeS2等，相關器件都能獲得較高的效率。然而，這些材料的器件集成方法都有一定的局限性：例如，CuSCN和CuI的沉積使用二丙硫化物作為溶劑，它可以部分降解鈣鈦礦層，從而影響器件穩定性。又如，NiOx等材料的製備過程中需要高溫處理。

近日，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL Valais）的M. K. Nazeeruddin教授課題組和伊朗塔比阿特莫達勒斯大學（Tarbiat Modares University）的Ahmad Moshaii教授課題組合作，以簡單的兩步熱注射法合成了一種新型的TiS2納米粒子並用作鈣鈦礦太陽能電池的空穴傳輸層。相關的太陽能電池器件採用了製備的FTO/TiO2(b)/TiO2(m)/(FAPbI3)0.85(MAPbBr3)0.15/TiS2/Au結構。研究表明，TiS2納米顆粒顯示出良好的能級匹配和空穴傳輸性能，從而實現了能量轉換效率超過13.5%的太陽能電池器件。進一步優化薄膜厚度和防止顆粒氧化可以顯著提高器件的效率。值得一提的是，該工藝不僅避免了高溫和極性溶劑（造成對鈣鈦礦傷害），而且其成本比Spiro-OMeTA低30倍（0.046美元對1.36美元）。這表明TiS2是一種高效、低成本的製備鈣鈦礦太陽能電池的空穴傳輸材料。該研究為實現鈣鈦礦太陽能電池產業化提供了新的思路。

相關工作發表在Small Methods（DOI: 10.1002/smtd.201700250）上，通訊作者為M. K. Nazeeruddin教授和Ahmad Moshaii教授，共同第一作者為瑞士洛桑聯邦理工學院的Aron J. Huckaba博士和伊朗塔比阿特莫達勒斯大學的Saba Gharibzadeh。

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