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张海昌教授团队和周忠敏教授团队在钙钛矿太阳能电池氢键诱导自组装空穴传输材料方向取得新进展

作者:张海昌 审核:张岩 来源:高分子学院 编辑:刘奕辰   点击: 日期:2021-11-12

日前,CCS Chemistry 刊发了以学校为第一单位的论文“Hydrogen bonded dopant free hole transport material enables efficient and stable inverted perovskite solar cells”(https://doi.org/10.31635/ccschem.021.202101483),2019级硕士研究生李锐为该论文的第一作者。

钙钛矿太阳能电池作为取代硅基太阳能电池的第三代太阳能电池发电技术,一直是光伏领域研究的重点。而空穴传输层(HTL)作为钙钛矿太阳能电池的重要组成部分,其发展一直推动着钙钛矿太阳能电池性能的革新。传统的空穴传输材料(HTM)使用的是spiro-OMeTAD这一有机螺环分子,但是这种分子由于其电导率较低,往往需要锂盐等无机盐进行掺杂提升其性能,由于锂盐的迁移过程,会导致太阳能电池器件稳定性的降低,因此开发无掺杂空穴传输材料一直是研究的重点。而氢键作为一种可以降低分子间距离提升载流子迁移率的强分子间作用力被广泛地应用于有机场效晶体管设计领域当中,但是氢键的引入往往导致分子溶解性的降低,而PSCs器件往往使用溶液旋涂法组装器件,这也制约了氢键在PSCs领域中的应用。

基于此,学校高分子学院张海昌教授与化学院周忠敏教授(共同通讯作者)团队联合报道了一种具有二次热重铸氢键系统的HTM,由其构筑的反式PSCs具有高的环境稳定性及能量转化效率。通过加热脱除BOC基团重铸氢键系统这一策略,提高了HTM的加工溶解性的同时,二次形成的氢键系统可以大幅提升载流子迁移率。氨基作为质子供体起到钝化钙钛矿层的作用,提高了钙钛矿太阳能电池的稳定性。这一成果构筑的反式无掺杂小分子空穴传输层钙钛矿太阳能电池取得21.6%的能量转化效率,这是基于无掺杂HTLs的反式钙钛矿太阳能电池最高的效率之一。基于该HTLs的PSC器件在封装条件,连续照射工作500 h后仍可以保持其初始效率的84%。

图1.(a)空穴传输材料氢键系统重铸模拟示意图;(b)最优器件J-V输出曲线;(c)最优器件在封装条件下,100 mW cm-2的连续照射下工作500 h稳定性示意图

综上所述,该工作通过将一种加热重铸氢键的方法引入钙钛矿太阳能电池中空穴传输层材料的设计理念当中,有效的提升了钙钛矿太阳能电池的载流子迁移率,对今后开发新型的空穴传输材料具有促进作用。

本工作得到了国家自然科学基金、山东省泰山学者、山东省自然科学基金及等项目的资助。

文章详情:

Hydrogen bonded dopant free hole transport material enables efficient and stable inverted perovskite solar cells

Rui Li, † Chongwen Li, † Maning Liu, Paola Vivo, Meng Zheng, Zhicheng Dai, Jingbo Zhan, Benlin He, Haiyan Li,Wenjun Yang, Zhongmin Zhou,*and Haichang Zhang*

文章链接:https://doi.org/10.31635/ccschem.021.202101483

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