综述：用于高效聚合物太阳能电池（PSCs）的无机空穴传输材料的新趋势

《Inorganic Chemistry Communications》：Emerging trends in inorganic hole transport materials for high-efficiency PSCs

钙钛矿太阳能电池通过无机空穴传输层（如铜基CuSCN、CuO和铁氧体LiFeO2等）提升效率与稳定性，结合DFT和SCAPS-1D模拟优化能带对齐及电荷动力学，解决有机HTLs的湿度敏感与寿命问题，同时适应低温溶液工艺和柔性制造。

　　近年来，钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其卓越的光电转换效率（PCE）和易于制造的特性，被认为是下一代太阳能技术的有力竞争者。自2009年首次提出以来，PSCs的PCE已达到约27%的水平，这使其在光伏领域占据了重要地位。然而，尽管其在性能上表现出色，PSCs的广泛应用仍面临诸多挑战，尤其是在材料稳定性和环境适应性方面。其中，有机空穴传输材料（HTMs）的不稳定性成为限制其商业化应用的关键因素之一。

有机HTMs，如聚（3,4-乙炔二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）、2,2′,7,7’-四（N,N-二-4-甲氧基苯基氨基）-9,9′-螺二芴（Spiro-OMeTAD）和聚[双（4-苯基）（2,4,6-三甲基苯基）胺]（PTAA），在早期PSCs研究中被广泛采用。这些材料具有良好的能量带匹配性，能够有效促进空穴的传输和提取，从而提升太阳能电池的整体性能。然而，随着PSCs技术的不断进步，其对材料稳定性的要求也日益提高。有机HTMs在热、湿度和紫外线辐射下容易发生降解，导致设备寿命缩短，这成为限制其在工业应用中的主要障碍。

为了解决这一问题，研究者们开始探索更具稳定性的无机HTMs。无机HTMs，如金属氧化物（NiOx、CoOx）、铜基材料（CuSCN、CuI、CuGaO2、CuCrO2、CuAlO2）以及铁氧体基材料（LiFeO2、NaFeO2、CaFeO3），被认为是有机HTMs的潜在替代品。这些材料不仅具备良好的化学稳定性，还能够在高温、高湿和紫外线环境下保持结构完整，从而延长设备寿命。此外，无机HTMs在电学性能方面也表现出色，如较高的空穴迁移率和较低的陷阱态密度，这有助于提高PSCs的光电转换效率。

研究表明，无机HTMs在结构设计上具备更大的灵活性。它们可以被用于构建稳定、高效且可弯曲的平面PSCs，这为柔性电子设备的发展提供了新的可能性。同时，无机HTMs的合成工艺相对简单，成本较低，这使得其在大规模生产中具有优势。此外，铁氧体基材料因其独特的磁性和光电特性，逐渐受到研究者的关注。这些材料的尖晶石结构允许通过离子掺杂和组成调整来优化其性能，从而适应不同的PSCs结构和材料组合。

在实际应用中，无机HTMs的引入不仅提升了PSCs的性能，还改善了其在不同环境条件下的稳定性。例如，铜基材料如CuSCN表现出比Spiro-OMeTAD更高的空穴迁移率，这有助于提高PSCs的填充因子和整体性能。此外，无机HTMs的低湿度吸收特性使其在潮湿环境中依然能够保持良好的工作状态，从而减少设备的降解风险。

然而，无机HTMs的开发和应用仍面临一些挑战。首先，如何实现与钙钛矿吸收层的能量带匹配仍然是一个关键问题。良好的能量带匹配能够促进空穴的有效提取，同时防止电子的反向传输，这对于减少界面复合和维持高光电转换效率至关重要。其次，无机HTMs的合成和加工技术需要进一步优化，以提高其在柔性基底上的适用性。目前，一些无机HTMs虽然可以在低温下进行溶液处理，但其在大规模制造中的适用性仍需验证。

此外，无机HTMs的界面特性也是影响PSCs性能的重要因素。良好的界面能级匹配能够减少界面复合，提高电荷传输效率。然而，不同的无机HTMs在与钙钛矿吸收层的界面匹配方面存在差异，这需要通过实验和理论计算来进一步研究。例如，通过调整无机HTMs的组成和结构，可以优化其与钙钛矿吸收层的界面特性，从而提高PSCs的整体性能。

在PSCs的结构设计方面，无机HTMs的应用需要考虑不同的设备架构。传统的n-i-p结构和其反向版本p-i-n结构在使用无机HTMs时表现出不同的性能特征。在n-i-p结构中，无机HTMs通常位于钙钛矿吸收层之上，而p-i-n结构中，无机HTMs则位于透明导电氧化物（TCO）基底之上。这两种结构在使用无机HTMs时都需要考虑其在不同界面的匹配性，以及如何优化其电学性能。

同时，无机HTMs的引入也对PSCs的制造工艺提出了新的要求。传统的有机HTMs通常需要使用添加剂来提高其导电性，如4-叔丁基吡啶和Li-TFSI。这些添加剂具有吸湿性，容易吸收环境中的水分，导致设备性能下降。相比之下，无机HTMs的合成和加工过程更为简单，且不需要使用这些添加剂，从而降低了设备的降解风险。

在研究进展方面，无机HTMs的开发已经取得了一些突破。例如，铜基材料如CuSCN和CuI已经被广泛研究，并显示出良好的电学性能。此外，铁氧体基材料如LiFeO2和NaFeO2也因其独特的磁性和光电特性而受到关注。这些材料的合成和加工技术正在不断改进，以提高其在PSCs中的应用效果。

然而，无机HTMs的开发仍需克服一些技术难题。首先，如何实现与钙钛矿吸收层的高效能量带匹配仍然是一个挑战。其次，无机HTMs的合成和加工过程需要进一步优化，以提高其在不同基底上的适用性。此外，无机HTMs的界面特性也需要进一步研究，以减少界面复合并提高电荷传输效率。

为了推动无机HTMs在PSCs中的应用，研究者们正在探索多种策略。例如，通过调整无机HTMs的组成和结构，可以优化其与钙钛矿吸收层的能量带匹配。此外，通过离子掺杂和表面处理技术，可以进一步提高无机HTMs的电学性能和稳定性。这些策略不仅有助于提高PSCs的光电转换效率，还能够延长其使用寿命。

总的来说，无机HTMs在PSCs中的应用具有广阔前景。它们不仅能够提高PSCs的性能和稳定性，还能够降低制造成本，提高环境适应性。然而，为了实现无机HTMs在PSCs中的广泛应用，还需要进一步研究其合成和加工技术，以及如何优化其与钙钛矿吸收层的能量带匹配。通过不断探索和改进，无机HTMs有望成为下一代太阳能技术的重要组成部分。