前景最好的新一代太陽能電池受材料所限，難以商業(yè)化。現(xiàn)在，出現(xiàn)了一個可能的解決方案。

下一代太陽能電池技術(shù)中，前景最好的一種是以鈣鈦礦類材料作為核心的。鈣鈦礦太陽能電池可以高效地將光轉(zhuǎn)化成電能(轉(zhuǎn)化率約22%)，但是必須使用有機(jī)空穴傳輸層(PTAA)或是2,2?,7,7?-四(N,N-二-對-甲氧基苯胺)-9,9?-螺二芴(spiro-OMeTAD)來傳輸“空穴”，即電池發(fā)電機(jī)制下所產(chǎn)生的帶有正電荷的準(zhǔn)粒子。這些聚合物價格昂貴，因此限制了它們在商業(yè)太陽能電池中的使用。另一個問題是，為了增強(qiáng)空穴傳輸，必須在聚合物中加入微量被稱為摻雜物的化合物，但是這種摻雜物會造成電池內(nèi)鈣鈦礦層的分解。Eui Hyuk Jung等人在《自然》雜志上發(fā)表了一篇論文，報告了一種特別的鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)，能夠使用較為廉價且不含摻雜物的聚合物作為空穴傳輸?shù)牟牧?，其轉(zhuǎn)化率高達(dá)22.7%。

圍繞PTAA和spiro-OMeTAD的這些問題促使人們積極尋找替代品。已經(jīng)有論文報告了較為廉價、無摻雜的材料，以及穩(wěn)定的新型摻雜物，但是使用這些替代品制造的鈣鈦礦太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化率無法和PTAA與spiro-OMeTAD相提并論。因此，尋找一種廉價、高效、穩(wěn)定性強(qiáng)，還能直接適用目前工業(yè)制造太陽能電池工藝的空穴傳輸材料仍然是一項挑戰(zhàn)。

替代品之一是聚(3-己基噻吩)(P3HT)。這種聚合物價格低，光電性質(zhì)適合太陽能電池，還可以用于工業(yè)級生產(chǎn)工藝。但是，至今為止使用P3HT制造的鈣鈦礦電池的轉(zhuǎn)化率均沒有超過20%。為了理解P3HT的相關(guān)問題，我們先來看一下鈣鈦礦太陽能電池中的空穴傳輸材料是用來做什么的。

太陽能電池的基本原理是光線被一種“活性”材料——比如鈣鈦礦——吸收，并產(chǎn)生一對電荷載體：一個帶負(fù)電的電子和一個帶正電的空穴(見下圖)。這兩個電荷載體接下來會被分離，并傳輸?shù)诫娐分胁煌碾姌O上，形成電流。一種做法就是將鈣鈦礦層用兩種材料夾在中間，一種用來將空穴傳給一個電極，一種用來將電子傳給另一個電極。

圖1 | 給鈣鈦礦太陽能電池多加一層。在太陽能電池里，鈣鈦礦等活性材料所吸收的光線會產(chǎn)生一個電子-空穴對;空穴是失去電子所產(chǎn)生的準(zhǔn)粒子。電子和空穴會分離，并分別通過電子傳輸材料和空穴傳輸材料，直到到達(dá)電極處。在這個例子里，空穴會傳到一個金電極上，而電子會移動到起電極作用的透明導(dǎo)體薄膜上。當(dāng)電極被接在電路上的時候就會產(chǎn)生電流。聚合物聚(3-己基噻吩)(P3HT)是一種廉價的空穴傳輸材料，但是使用P3HT制造的太陽能電池能量轉(zhuǎn)化效率很低。Jung等人在P3HT和鈣鈦礦層之間插入了一層被稱為正己基三甲基溴化銨(HTAB)的材料。HTAB和P3HT之間分子鏈的叉指接觸讓該聚合物自組裝成空穴傳輸能力極好的纖絲，從而提高太陽能電池的轉(zhuǎn)化率。額外插入的這一層也可以增強(qiáng)電池的穩(wěn)定性。

使用P3HT作為空穴傳輸材料的問題之一在于它和鈣鈦礦之間的物理接觸不夠好，因此材料間的空穴傳輸會受到限制。另一個問題在于，電子和空穴會在鈣鈦礦和P3HT之間的界面上重新結(jié)合回去。這種現(xiàn)象被稱為非輻射復(fù)合，會導(dǎo)致能量損失。

Jung等人的創(chuàng)新之處是在鈣鈦礦層上覆蓋了一種傳輸電子能力較差的材料;作者將這種材料稱為寬能隙鹵化物(WBH)。WBH阻止了電子在鈣鈦礦層和P3HT之間的傳輸，因此減少了界面上的非輻射復(fù)合。

這個WBH層是通過一種叫做正己基三甲基溴化銨(HTAB)的化合物與鈣鈦礦層表面反應(yīng)現(xiàn)場生成的。組成HTAB的分子包含了一個親水的頭部和一個疏水的尾部。由于范德華力，HTAB的尾部和P3HT疏水的支鏈會發(fā)生很強(qiáng)的反應(yīng)(見圖1)，并導(dǎo)致P3HT的分子在WBH的表面上自組裝成纖絲結(jié)構(gòu)。

圖2|空穴傳輸材料的整體結(jié)構(gòu)。a，聚合物P3HT可以用來傳輸太陽能電池里被稱為空穴的電荷載體，通常是非晶形態(tài)。b，Jung等人制造太陽能電池的工藝讓P3HT自組裝成纖絲結(jié)構(gòu)。纖絲結(jié)構(gòu)的P3HT的空穴傳輸性能是非晶形態(tài)的10000倍。圖中比例尺為600納米。

P3HT的整體結(jié)構(gòu)會影響到它的電荷傳輸性能：纖絲結(jié)構(gòu)的P3HT的空穴傳輸性能是非晶形態(tài)的10000倍，因此Jung等人就不必使用增強(qiáng)空穴傳輸性能的摻雜物了。此外，HTAB分子有效地中和了鈣鈦礦表面的電荷缺陷，這幫助減少了鈣鈦礦-P3HT界面上發(fā)生的電荷復(fù)合。

在鈣鈦礦太陽能電池中使用纖絲結(jié)構(gòu)的WBH層所產(chǎn)生的這些效果，讓Jung等人取得了出色的22.7%的轉(zhuǎn)化率。和對照組中不使用WBH層的電池相比，他們的電池穩(wěn)定性大幅提高了——使用模擬地表陽光的強(qiáng)度和光譜的光照連續(xù)照射1370小時之后，塑料封裝的WBH電池仍然保有初始95%的能量轉(zhuǎn)化率。這種穩(wěn)定性可以歸因于使用了無摻雜物的P3HT。無封裝的電池也比對照組中不使用WBH的電池有著更強(qiáng)的防水性，這是HTAB的疏水尾部產(chǎn)生的效果。

最后，Jung等人還表明，工業(yè)中常用的兩種制備薄膜的方法——旋涂法和棒涂法——都可以用來制備覆有WBH和P3HT的鈣鈦礦元件，面積約25平方厘米。與之相比，研究中相比較的其他太陽能電池都只有0.09平方厘米。使用這兩種工業(yè)方法制備的大號元件所生產(chǎn)的太陽能電池有著幾乎相同的能量轉(zhuǎn)化率，這意味著文章中描述的太陽能電池結(jié)構(gòu)可以可靠地實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。

這種鈣鈦礦太陽能電池價格低廉，轉(zhuǎn)化率高。我們有理由相信它會在商業(yè)上成為現(xiàn)在最常用的硅太陽能電池的可行替代品。商業(yè)化最大的難題在于穩(wěn)定性——接下來我們不僅需要研究如何提高鈣鈦礦的穩(wěn)定性，還需要研究電荷傳輸材料和電極的穩(wěn)定性。Jung等人證明了P3HT可以成為一種穩(wěn)定而有效的電荷傳輸材料，這可能會加速鈣鈦礦太陽能電池進(jìn)入市場的腳步。