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首次报道用于高效钙钛矿太阳电池的双螺环类空穴传输材料

钙钛矿在过去几年可以说是科研界的明星。不管在材料、化学、纳米还是物理等相关领域,其成果频出,很有当年石墨烯之风范。而短短几年时间,其单层钙钛矿太阳电池的效率也逼近23%,而钙钛矿与硅电池的叠层器件的光电转换效率也突破了27%。而现阶段其具有较高光电转换效率(>20%)主要是采用n-i-p类型的器件,其中该类器件中空穴传输层(HTL)不管是对电荷抽取还是对器件稳定性的提高都非常重要。

到目前为止,应用于高效钙钛矿太阳电池器件中的HTL其材料的框架核主要是基于螺环结构。而很明显可以看出,这些螺环而且都是同一类型——单螺环,而且更精确的说也只是有两个单螺环。要想进一步提高空穴传输材料的优势,必须要进一步开发更多的新型螺环单体来研究其结构性能的关系,并实现空穴传输材料的多样性。

首次报道用于高效钙钛矿太阳电池的双螺环类空穴传输材料

近期,美国华盛顿大学Alex K-Y Jen教授团队与南京邮电大学解令海教授团队一起合作,第一次报道了基于双螺环位核的空穴传输材料。这不仅提高了应用于HTM的螺环的多样性而且还实现了高效稳定的钙钛矿器件,还对材料—器件的结构与性能关系给予清晰的阐释。其中,作者通过对分子的设计、分子的构型、材料与钙钛矿之间结合关系(结合能)、溶解性与成膜性、理论模拟、光学特性、电导及迁移率、器件性能综合讨论,清晰的展示了从化学结构的设计到器件性能之间的紧密关系。拥有硫原子的G2与钙钛矿材料之间具有更强的结合力,而且因为与溶剂拥有同类型的对称性,所以其较好的溶解性使其还具有非常好的成膜性,而且其迁移率及导电性都比G1有所提高,所以利用G2的器件效率明显高于G1的器件。G2器件在老化三个月后光电转换效率还可保持19%以上。

双螺环在空穴传输材料领域的引入不仅为钙钛矿太阳电池新型空穴传输材料的开发提供了借鉴,其详细的结构—性能关系更加进一步为设计更多高效稳定的空穴传输材料以及钙钛矿太阳电池的产业化提供了重要借鉴。

相关文章在线发表在Advanced Energy MaterialsDOI: 10.1002/aenm.201800809)上。

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