咔唑类空穴传输材料的合成及在钙钛矿太阳能电池中的应用

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由于具有取之不尽用之不竭、环境友好的特点,太阳能作为一种极具前景的替代传统化石能源的新型能源。近年来,钙钛矿太阳能电池(PSC)已经成为了光伏领域的研究热点。研究人员致力于提升钙钛矿太阳能电池的性能。空穴传输材料(HTM)作为钙钛矿太阳能电池的重要组成部分,已经被进行了广泛的研究。空穴传输层主要负责将抽取和输运钙钛矿活性层的空穴。spiro-OMeTAD作为在正置型钙钛矿太阳能电池当今最炙手可热的空穴的传输材料,已经被广泛的应用和研究。但是繁琐的合成以及纯化造成了spiro-OMeTAD的价格昂贵,限制了其未来的大规模工业化的可能。研究人员也一直寻找更为廉价和高效的替代spiro-OMeTAD的空穴传输材料。由于廉价的成本、易化学合成、出色的性能,甲氧基二苯胺取代的咔唑基团(DPACZ)的衍生物成为有力的竞争者。在本项研究中,通过将DPACZ基团与不同的吩噻嗪(PTZ)和二噻吩并吡咯(DTP)的咔唑端基取代基相结合,设计并合成出四种全新的单臂DPACZ基团的空穴传输材料(M111-114)。密度泛函理论计算发现M111-114有明显的分子内电荷转移现象,即为给体-受体(D-A)型分子。光物理和电化学测试结果发现DPACZ基团和硫氮杂环端基取代基分别决定分子的HOMO和LUMO的能级值。差热和热重分析得出M111-114均具有良好的热稳定性。空穴迁移率和电导率测试结果发现M114相较于M111-113具有最好的空穴输运和导电能力。将M111-114应用于结构为FTO/SnO2/PC61BM/Perovskite/HTM/Au的钙钛矿太阳能电池,基于M114的电池器件展现出最好的性能,光电转化效率(PCE)为17.17%、开路电压(Voc)为1.055 V、短路电流密度(Jsc)为22.24 mA cm-2、填充因子(FF)为0.732。开路电压衰减(OCVD)和电化学阻抗谱(EIS)测试表明基于M114的电池器件表现出在钙钛矿活性层和空穴传输层之间的界面处具有最小的电荷复合。稳态光致发光(SSPL)和时间分辨瞬态光致发光(TRPL)测试结果表明M114在钙钛矿活性层和空穴传输层之间的界面处具有最高的空穴抽取效率。接触角测试表明M111-114的疏水性能均优于spiro-OMeTAD。基于M114的电池器件在未封装状态下储存超过600小时后仍保持初始效率的90%以上。
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