联二萘桥联空穴传输材料在钙钛矿太阳能电池的性能研究

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近十年来,钙钛矿太阳能电池迅速发展,光电转换效率已经从2009年的3.8%提高到现在的25%。空穴传输层是钙钛矿电池的重要组成部分,具有传输空穴、抑制界面电荷复合、调控器件稳定性等重要作用。开发新型高效的空穴传输材料,有利于制备光电转换效率高且器件稳定性好的钙钛矿太阳能电池。本论文以具有C2对称轴的联二萘环为母核,设计合成了六种新型联二萘桥联小分子空穴传输材料。论文合成了两种以联二萘酚为母核的空穴传输材料Z5和Z6,并进行了化学结构表征,以及光物理、电化学性能等基本测试。这两种联二萘酚空穴传输材料分子量小,合成路线简单,有利于低成本高效反式钙钛矿电池(i-PSCs)的制备。但是由于Z5结构中含羟基,溶解性不好,不溶于氯苯等电池常用制备溶剂,因此采用N-甲基吡咯烷酮制备i-PSCs,最佳光电转换效率为16.48%。Z6结构中含己基,溶解性较好,溶于氯苯,但Z6的疏水角较大,为104.3°,与钙钛矿前驱液的浸润角也较大,为40.4°,因此钙钛矿前驱液在Z6薄膜表面的浸润性差,无法成膜,最终导致无法制备有效的i-PSCs。我们对联二萘分子进行了优化,进一步合成了四种以联二萘胺为母核的空穴传输材料Z7-Z10。首先,该类分子结构中的氨基是给电子基,可以通过取代反应、烷基化等途径,构筑多种空穴分子,其溶解性很好,都能溶于氯苯制备有效的i-PSCs。其次,该类分子的两个萘环和氨基之间具有一定的扭转角度,可以有效抑制分子聚集,增强所制备薄膜的热稳定性。此外,具有较大共轭结构的萘环可以提供适合的分子间π-π堆积,促进分子间的纵向电荷传输。Z7结构中引入了氢原子,使得Z7与钙钛矿前驱液的浸润角最小,为23°,而Z8-Z10都较大,分别为36°,41°和45°,因此钙钛矿前驱液在Z7薄膜表面的浸润性比Z8-Z10好,钙钛矿薄膜的形貌最好,所制备的i-PSCs填充因子最高,光电转换效率高达17.32%。而Z8-Z10的光电转换效率分别为15.80%,14.03%和13.80%。为了进一步提高Z7电池器件的稳定性,我们掺杂了多壁碳纳米管(MWCNTs)。掺杂MWCNTs的Z7制备的i-PSCs,光电转换效率为17.17%,与不掺杂的17.32%效率相当。然而,器件稳定性却提高了1倍以上。未包封的掺杂MWCNTs的Z7制备的i-PSCs在14天后仍保持其初始PCE的62%,而未包封的Z7的i-PSCs的PCE在14天后显著下降,最低PCE为4.02%。上述结果表明,联二萘胺基团有利于制备低成本高效的钙钛矿太阳能电池,多壁碳纳米管与π-共轭空穴分子的非共价功能化作用是一种制备低成本、高效、稳定的i-PSC的有效策略。
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