具有柔性骨架的聚合物空穴传输材料的合成及应用研究

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钙钛矿太阳能电池(PSCs)的认证光电转换效率已达到25.5%,其中具有p-i-n倒置结构的钙钛矿电池具有可低温加工、迟滞小等优点,在柔性光伏器件、叠层电池等领域具有良好应用前景。然而,该类电池仍存在光电转换效率低和器件稳定性差问题。究其原因是钙钛矿的多晶特性使其自身存在大量缺陷,特别是钙钛矿与电荷传输层界面处的缺陷,会引起严重非辐射复合,最终导致电池光伏性能下降。本文以联二萘基为聚合物骨架,构筑两类具有柔性骨架的聚合物空穴传输材料(HTMs),通过在分子中引入多个钝化基团,以达到降低钙钛矿缺陷,进而提高电池光伏性能。(1)分别将二溴代正己烷、二溴对二甲苯、对二甲酰氯和四氟代对二甲酰氯与联二萘酚衍生物聚合,得到聚醚(酯)类分子BN-3、BN-6、BN-9和BN-12。四种具有柔性骨架的分子,表现良好的分子自由度,在氯苯、甲苯等常规溶剂中溶解性良好。X射线衍射光电子能谱(XPS)表明具有羰基基团的BN-9和BN-12可以钝化钙钛矿缺陷;X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)表明在BN-9和BN-12层上获得结晶性良好的钙钛矿薄膜。因此,基于BN-9和BN-12的钙钛矿电池分别取得了19.3%和20.38%的光电转换效率,高于BN-3(18.03%)、BN-6(18.33%)和商用PTAA(19.50%),并且表现出优于PTAA的器件稳定性。(2)设计了三种聚酰胺类分子BNs、BNo-F和BNs-F。相比于含甲氧基的BNo-F,具有甲硫基的BNs和BNs-F薄膜表现更好的钙钛矿前驱液浸润性。红外光谱测试、XPS和缺陷态密度测试表明,上述三种聚合物分子可以钝化钙钛矿层缺陷。F原子可以与酰胺键形成一定分子间氢键作用,因此具有F取代骨架的BNo-F和BNs-F表现更高的空穴迁移率和电导率。此外,稳态光致发光(PL)和时间分辩光谱(TRPL)证明F原子的引入可以促进HTMs/钙钛矿界面电荷传输。因此,基于BNs-F的钙钛矿电池取得了20.56%的光电转换效率,高于BNs(19.03%)、BNo-F(19.07%)和商用PTAA(19.56%)。稳定性测试中,在手套箱中储存40天后,基于BNs-F的钙钛矿电池维持80%以上的初始效率,优于PTAA保持的30%。(3)将通过金属催化耦合合成的石墨炔类化合物DES3-O-Hs GY作为添加剂加入到反溶剂氯苯中,制备钙钛矿层,有效钝化了钙钛矿缺陷,提升电荷传输效率。在同批次条件下,将电池光电转换效率从20.04%提高到了20.24%。
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