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钙钛矿太阳电池中有机空穴传输材料的研究再获进展

作者:刘雪朋,孔凡太/图文   发布时间:2017-09-14   来源:新能源中心

近期,应用技术研究所孔凡太研究团队在钙钛矿太阳电池中有机小分子空穴传输材料的研究取得新进展,该工作对开发新型高效廉价空穴传输材料具有重要意义,相关研究结果分别发表在《ACS Appl. Mater. & Interfaces》及《Chem Commun》上(ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 27657; Chem. Commun., 2017, 53, 9558)。

空穴传输材料在钙钛矿太阳电池中起着传输空穴,保护钙钛矿层等重要作用。近年来有机小分子类空穴传输材料已经被证明在钙钛矿太阳电池中有非常好的应用潜力。目前应用最广泛的此类材料是spiro-OMeTAD,但是其合成步骤复杂、成本很高,且相对稳定性较差限制了其的应用。

   之前我们组开发了三种不同桥的小分子空穴传输材料(Dyes and Pigments 2017, 139, 129)。我们发现随着共轭桥稠合度的增加,分子的吸收红移,HOMO能级降低,热稳定性增加,空穴迁移率明显增高,最终使电池性能提升。在此基础上,我们进一步开发了三种基于苯-三苯胺的空穴传输材料,我们通过控制臂数而研究其对钙钛矿太阳电池的影响。分子结构如图1所示。相应的分子吸收、发射光谱、电化学、载流子输运性能如图2所示。我们发现随着臂数的增加,吸收光谱蓝移,空穴迁移率逐渐升高,但是基于三个臂的材料HOMO能级最低。另外在制备这三种材料时我们发现基于两个臂和四个臂的材料在常用溶剂中溶解性较差。我们进一步通过SEMAFM测试研究三种材料的成膜性能。如图3所示,基于三个臂的材料成膜性远高于另两种材料。当应用到钙钛矿太阳电池器件中(图4),发现由于较低的HOMO能级,合适的空穴迁移率和较好的成膜性能,使基于三个臂的材料器件性能最好。
 

                      图1. 三种不同臂数空穴传输材料的分子结构

 

                      图2. 三种材料的吸收、发射图,循环伏安曲线和SCLC曲线

 

                       图3. 三种材料的SEMAFM

 

                        图4. 基于三种空穴传输材料的电池J-VIPCE曲线图

  相应的成果在线发表在美国化学会ACS Applied Materials & Interfaces上。相关链接如下:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.7b06193?journalCode=aamick&quickLinkVolume=9&quickLinkPage=27657&selectedTab=citation&volume=9

另一方面,由于蒽结构良好的载流子迁移率和稳定性,其已广泛应用到OLED中。因此,我们第一次将基于蒽结构的空穴传输材料引入到钙钛矿太阳电池中。图5为我们设计合成的基于蒽桥的空穴传输材料结构示意图(A101A102)。我们进一步研究延分子长共轭桥对钙钛矿太阳电池的影响。首先我们通过计算发现延长桥的分子端基与桥的位阻减小。如图6所示,实验发现延长分子桥能使吸收蓝移,HOMO能级降低,空穴迁移率升高。另外在制备这两种材料过程中,我们发现延长共轭桥的分子在常见溶剂中的溶解性远远高于未延长的分子。AFM研究发现延长桥能使分子成膜性能显著提升。因此较低的HOMO能级,较高的空穴迁移率和较好的成膜性使基于延长桥的分子器件性能较好。

 

5. 基于蒽桥的空穴传输材料结构

 

6. 两种新型空穴传输材料及spiro-OMeTAD的吸收、循环伏安和能级图

 

               图 7. 基于蒽桥的两种分子结构及其在钙钛矿太阳电池的J-V曲线图

该工作发表在英国化学会Chemical Communications上。文章链接为:http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/cc/c7cc03444j#!divAbstract

该系列工作得到国家重点基础研究发展计划(No. 2015CB932200)、安徽省自然科学基金项目No.1508085SMF224)、国家自然科学基金(No. 51474201)、中伊丝路科学基金项目(116134KYSB20160130)等资助。