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构象可调的有机空穴传输材料实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池
2019-06-04
来源：转载自第三方
钙钛矿太阳能电池由于其效率高、成本低、制备简单等优点成为目前光伏领域的研究热点。有机空穴传输材料作为钙钛矿太阳能电池的重要组成部分，可以起到促进空穴提取和阻挡电子的作用，对提升电池光电性能具有重要意义。空穴迁移率和薄膜质量是有机空穴传输材料（HTM）应用的关键因素，但是缺乏可有效调控分子构型的设计模块使两者得到兼顾。平面构型的分子倾向于形成有序的分子堆积（易结晶），从而促进分子间的电荷传输以获得高迁移率。但是为了得到致密均匀的有机薄膜，分子需要保持无定型态，避免结晶，这就需要大位阻的分子构型，其中最常见的是正交构型。
Spiro-OMeTAD是目前钙钛矿太阳能电池中最常见的有机空穴传输材料，其分子构型的核心是正交的螺芴单元，可以获得高的玻璃化温度，从而保证了薄膜的均匀性和稳定性。但是Spiro-OMeTAD分子间的相互作用弱，所以本征的空穴迁移率较低(10-6-10-5 cm2 V-1s-1)。为了优化器件性能，需要对其进行掺杂提高空穴迁移率，但是添加剂(锂盐、钴盐等)的亲水性使器件的稳定性大幅下降。因此，新型的无掺杂(dopant-free)有机空穴传输材料是迫切需要的。
基于目前的研究现状和面临的问题，华东理工大学朱为宏课题组创新性地引入了构象可调的四噻吩乙烯(TTE)作为核心单元，探索新型无掺杂空穴传输材料的设计策略。四噻吩乙烯的结构是一对反式的噻吩跟双键共平面，另外一对几乎垂直于这个平面，类似于螺芴的正交构型。TTE中顺式的噻吩可以通过化学反应关环来调控分子的平面性，将其中一对顺式的噻吩关环得到半锁的TTE单元。将TTE 和半锁的TTE作为核心单元，连接四个对甲氧基三苯胺基团，合成得到了空穴传输材料TTE-1和TTE-2。对于TTE-2特殊的结构，该工作首次提出了平面-正交杂化构型的概念，实现了迁移率和薄膜形貌的完美平衡。
基于正式平面结构的钙钛矿太阳能电池，无掺杂的TTE-2作为空穴传输材料，优化器件效率获得了20.04%的光电转换效率，是目前此类dopant-free钙钛矿太阳能电池的最优效率。该成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上。
相关工作由博士生沈超在朱为宏教授和吴永真教授的共同指导下完成，得到了华东理工大学田禾院士的指导。工作得到了基金委创新研究群体项目、国家自然科学基金重点项目、上海市东方学者人才计划、上海市自然科学基金、中国化学会“青年人才托举工程”和中央高校基本科研专项资金等科研项目的资助。
本文由苏州亚科科技股份有限公司编辑
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