基于新型苯胺类空穴传输材料的合成及光伏性能研究

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近年来,有机钙钛矿太阳能电池得到了飞速发展,其光电效率已经达到了25.2%,成为了太阳能电池商业化发展的有利竞争者。在已报道的空穴传输材料中,2,2’,7,7’-四基(N,N’-双(对甲氧基苯基)氨基)-9,9’-螺双芴(spirobifluorene,spiro-OMe TAD)是应用最为广泛的材料之一。但是,由于spiro-OMe TAD存在合成路线复杂、提纯难度较高、成本昂贵和需要掺杂添加剂等缺点,导致其难以大规模生产应用。针对上述问题,本文开发出了效率高、成本低而且稳定性良好的空穴传输材料。本文的主要研究内容和创新点如下:1.设计并合成了以N-二萘嵌苯为中心核,双(4-(甲氧基)苯基)胺、4-溴-N,N’-双(4-(甲氧基)苯基)苯胺为端基的两个小分子空穴传输材料(NPTPA1和NPTPA2)。小分子NPTPA1和NPTPA2的热分解温度为421℃和373℃,最大吸收峰为495 nm和466 nm,荧光光谱最大吸收峰分别在584 nm和521 nm,光学带隙(Egopt)分别为2.28 e V和2.53 e V。以NPTPA1和NPTPA2为空穴传输层,采用ITO/Sn O2/Perovskite/HTM/Ag的器件结构制作了平面异质结钙钛矿太阳能电池,基于NPTPA1器件的效率为9.45%(Voc为0.94 V,Jsc为18.57 m A/cm2,FF为53.89%),基于NPTPA2器件的效率为17.24%(Voc为1.13 V,Jsc为21.18m A/cm2,FF为71.81%)。2.将N1,N4-双(4-溴苯基)-N1,N4-双(4-丁基苯基)苯-1,4-二胺和1-乙炔基-4-甲氧基苯进行Sonogashira偶联得到小分子WMPA。WMPA的热分解温度为419℃,光学带隙为2.88 e V,HOMO能级为-5.05 e V。采用glass/FTO/HTL/Pero-vskite/C60/BCP/Cu器件结构制备得到的PSCs最高效率为19.33%,其中Voc为1.1 V,Jsc为21.71 m A/cm2,FF为80.96%。3.将2,7-二溴-9,9’-二辛基-9H-芴和(3,3’-二氟-[2,2’-联噻吩]-5,5’-二基)双(三甲基锡烷)、5,5’-双(三甲基锡烷基)-2,2’-联噻吩进行Still偶联,合成了两个聚合物FBTF和FBT。FBTF和FBT的热分解温度为421℃和447℃,吸收边带分别为527 nm和520 nm,光化学带隙分别为2.35 e V和2.38 e V,电化学带隙为2.97 e V和2.93 e V。以FBTF和FBT为空穴传输层,采用FTO/Sn O2/Perovskite/HTM/Au的器件结构制作了平面异质结钙钛矿太阳能电池,测得基于FBTF的PSC的PCE为18.95%(Voc为1.01 V,Jsc为24.5 m A/cm2,FF为77.2%),基于FBT的PSC的PCE为17.74%(Voc为0.97 V,Jsc为22.6 m A/cm2,FF为79.9%)。
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