化學(xué)所在鈣鈦礦電池空穴傳輸材料方面取得新進(jìn)展
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發(fā)布日期：2018-09-10
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化學(xué)所在鈣鈦礦電池空穴傳輸材料方面取得新進(jìn)展
鈣鈦礦太陽能電池中空穴的產(chǎn)生與收集效率是決定電池能量轉(zhuǎn)化效率的一個(gè)重要因素。小分子類空穴傳輸材料在鈣鈦礦太陽能電池中有非常好的應(yīng)用潛力。目前，高效率鈣鈦礦太陽能電池大多采用有機(jī)小分子spiro-OmetaD作為空穴傳輸材料，然而其合成步驟復(fù)雜、成本高，且在空氣中穩(wěn)定性較差。因此，開發(fā)低成本、易制備、高效率和高穩(wěn)定性的有機(jī)空穴傳輸材料是鈣鈦礦太陽能電池的重要研究方向。
最近，在中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)和國家自然科學(xué)基金委支持下，中科院化學(xué)研究所光化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員鐘羽武和分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員胡勁松合作，發(fā)展了一類低成本、易制備二維共軛有機(jī)小分子空穴傳輸材料OMe-***yr，將其應(yīng)用于鈣鈦礦太陽能電池中，取得平均20%的能量轉(zhuǎn)化效率。
科研人員通過四步簡單有機(jī)轉(zhuǎn)化，以26%總產(chǎn)率、克級規(guī)模制備OMe-***yr，現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)室成本約為50美元/克，比spiro-OmetaD成本降低一半以上，并可進(jìn)一步優(yōu)化合成步驟和降低成本。OMe-***yr在常用有機(jī)溶劑中溶解性好，并具有較好的成膜性能。熱穩(wěn)定性測試表明，化合物OMe-***yr具有良好的熱穩(wěn)定性，適用于制備高穩(wěn)定性的光電器件。電化學(xué)和光譜研究表明，該空穴傳輸材料能級與三元鈣鈦礦Cs0.05FA0.81MA0.14PbI2.55Br0.45(CsMAFA)能級相匹配。化合物OMe-***yr中噻吩基團(tuán)的引入，增強(qiáng)了分子的電子離域范圍，穩(wěn)定了HOMO能級，更有利于空穴的注入。另外，由于OMe-***yr中的S原子與鈣鈦礦中的Pb之間存在一定Pb-S相互作用，可以鈍化鈣鈦礦晶體中的表面缺陷。噻吩基團(tuán)的引入可以提高載流子的傳輸能力并抑制界面復(fù)合，提高器件效率和削弱遲滯效應(yīng)。基于OMe-***yr的鈣鈦礦太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)20.6%，平均能量轉(zhuǎn)化效率為20.0%。未封裝的器件在放置60天之后還維持了92%的初始效率。化合物OMe-***yr是目前少數(shù)幾個(gè)已報(bào)道的能量轉(zhuǎn)化效率超過20%的空穴傳輸有機(jī)小分子，具有較好的應(yīng)用前景。相關(guān)工作近期發(fā)表于Angew.Chem.Int.Ed.2018,57,10959上，并被Sci.China Chem.（DOI：10.1007/s11426-018-9331-y）亮點(diǎn)報(bào)道。相關(guān)成果已申請中國專利（專利申請?zhí)枺?01810185852.0）。
