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2022 Angew. Chem. Int. Ed.:实现21.1%的高性能反式钙钛矿电池器件! 在空穴传输材料引入分子内非共价

标题- 分子内非共价相互作用启用掺杂剂无空穴传输材料

第一作者:杨坤/郭旭岗教授课题组

本文亮点

  通过在HTM分子骨架中引入S•••O作用力以提高其空穴迁移率和相关理化性质的调控,构建了一组结构简单、基于分子内非共价键作用力的新型无掺杂空穴传输材料,实现了效率高达21.1%的高性能反式钙钛矿电池器件。该效率是当前反式钙钛矿太阳能电池器件中基于小分子无掺杂HTM的效率之一。

研究动机

  由于其光电转换效率高、制备成本低等众多优势,钙钛矿太阳能电池(PVSCs)作为新型光伏技术引起了学术界和工业界的广泛关注。其中,空穴传输材料(HTM)对于PVSCs器件中空穴的提取与传输、载流子复合的抑制及保护钙钛矿活性层免受外界水、氧侵蚀等方面都起着至关重要的作用。然而,目前应用为广泛的Spiro-OMeTAD以及PTAA的本征空穴迁移率较低,通常需采用具有吸水性的掺杂剂进行掺杂,从而造成器件制备复杂化,器件性能重复性与稳定性降低等问题。因此,发展具有高空穴迁移率、无需掺杂的HTM对于提升钙钛矿电池的综合性能意义重大。

本文所用仪器

  • 光焱科技的QE-R量子效率测量系统

  • 光焱科技的Xe lamp-based SS-F5-3A Solar Simulator

研究成果说明

  研究表明,引入S•••O非共价键作用不但能对材料吸收、能级和热学性质进行有效调控,其带来的共平面分子结构极大地促进了分子间的紧密堆积;对比其它HTM分子,含S•••O作用的HTM材料在保持平整形貌的同时更容易形成偏晶态的膜,因此极大提高了其纯膜的空穴迁移率,从而为作为高性能的无掺杂型HTM提供了可能。

图1、基于分子内非共价键作用策略构筑的无掺杂HTM分子在反式钙钛矿器件性能表征。

  除了更高的载流子迁移率,基于分子内非共价键作用的HTM分子尤其是在引入同时具备强拉电子与钝化功能的CN基团后的BTORCNA材料,在更有效地钝化钙钛矿表面缺陷、提高载流子提取效率的同时,还能更利于高质量的钙钛矿层生长,从而在无需掺杂的条件下最终实现了高达21.1%的出色能量转换效率和相对于基于不含S•••O作用的HTM分子更好的器件稳定性。

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图2、HTM/钙钛矿层间界面相关性质表征以及器件稳定性结果。

  总之,该研究证明了基于分子内非共价键作用这一材料设计策略来构筑无需掺杂的、具有高载流子迁移率的电荷传输层(HTM和电子传输层)的巨大潜力,也为实现高性能的无掺杂型倒置钙钛矿太阳能电池器件提供了新的研究思路。

通讯作者简介

郭旭岗教授于1999年获兰州大学学士学位,2002年获兰州大学硕士学位,2009年获美国肯塔基大学博士学位,2009年7月至2012年10月在美国西北大学进行博士后研究工作。自2012年11月,在南方科技大学全职工作。2013年入选深圳市孔雀计划B类人才,2018年被评为广东省珠江学者特聘教授,2020年入选深圳市地方级领军人才。

郭旭岗教授的主要研究领域为有机半导体材料与光电器件,在n-型高分子半导体材料与器件方向做出了国际领先水平的研究成果,发现了有机半导体的催化n-型分子掺杂技术。在Nature、Nature Materials、Nature Photonics、Nature Energy、Chemical Reviews、JACS、Angewandte Chemie、PNAS、Advanced Materials等期刊发表论文140余篇,受Chemical Reviews、Nature Materials、Nature Energy、Chem、高分子学报等期刊约稿撰写专论、展望及综述。论文被引用9800余次,H-index为47,其中ESI高被引论文14篇,热点论文3篇。10余篇论文在期刊封面发表,研究成果被Science Daily、Phys.org、Chemistry World等媒体报道。申请发明专利18项,专利授权6项,主持国家自然科学基金面上项目3项。

本文关键词:空穴传输材料、HTM、反式钙钛矿、Inverted Perovskite Solar Cell、量子效率、Quantum Efficiency、太阳光模拟器、Solar Simulator、Sun Simulator

原文:https://doi.org/10.1002/anie.202113749

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