快捷搜索:
当前位置: www.bf66.com > 科学 > 正文

中科院格勒诺布尔物质调查探讨院,钙钛矿太阳

时间:2019-05-14 20:38来源:科学
近期,应用技术研究所孔凡太研究团队在钙钛矿太阳电池中有机小分子空穴传输材料的研究取得新进展,该工作对开发新型高效廉价空穴传输材料具有重要意义,相关研究结果分别发表

近期,应用技术研究所孔凡太研究团队在钙钛矿太阳电池中有机小分子空穴传输材料的研究取得新进展,该工作对开发新型高效廉价空穴传输材料具有重要意义,相关研究结果分别发表在ACS Appl. Mater. & Interfaces 及 Chem Commun(ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 27657; Chem. Commun., 2017, 53, 9558)。

近期,中国科学院合肥物质科学研究院应用技术与农业工程研究所孔凡太研究团队在小分子有机空穴传输材料方面取得系列进展,相关研究结果分别发表在ChemSusChem、ElsevierDyes and Pigments,以及英国皇家化学会的RSC Advances上。

空穴传输材料在钙钛矿太阳电池中起着传输空穴,保护钙钛矿层等重要作用。近年来有机小分子类空穴传输材料已经被证明在钙钛矿太阳电池中有非常好的应用潜力。目前应用最广泛的此类材料是spiro-OMeTAD,但是其合成步骤复杂、成本很高,且相对稳定性较差限制了其的应用。

小分子类空穴传输材料已经被证明在钙钛矿太阳电池中有非常好的应用潜力。目前应用最广泛的空穴传输材料是spiro-OMeTAD,然而其合成步骤复杂、成本很高,且在空气中稳定性较差。因此开发新型空穴传输材料是钙钛矿太阳电池产业化必不可少的部分,为了开发高效稳定廉价的小分子空穴传输材料,将常用于有机电池和OLED中的四苯甲烷结构引入到小分子空穴传输材料中。

之前课题组开发了三种不同桥的小分子空穴传输材料(Dyes and Pigments 2017, 139, 129)。研究发现随着共轭桥稠合度的增加,分子的吸收红移,HOMO能级降低,热稳定性增加,空穴迁移率明显增高,最终使电池性能提升。在此基础上,课题组进一步开发了三种基于苯-三苯胺的空穴传输材料,通过控制臂数而研究其对钙钛矿太阳电池的影响。随着臂数的增加,吸收光谱蓝移,空穴迁移率逐渐升高,但是基于三个臂的材料HOMO能级最低。在制备这三种材料时,科研人员发现基于两个臂和四个臂的材料在常用溶剂中溶解性较差。进一步通过SEM和AFM测试研究三种材料的成膜性能。如图所示,基于三个臂的材料成膜性远高于另两种材料。当应用到钙钛矿太阳电池器件中,发现由于较低的HOMO能级,合适的空穴迁移率和较好的成膜性能,使基于三个臂的材料器件性能最好。

由于四苯甲烷是星爆型,不存在螺旋核的分子内张力,使其具有好的成膜性和高稳定性,孔凡太研究团队以四苯甲烷为核,外围接上苯胺基团设计开发了两种小分子,并合成了一个以苯甲醚为外围基团的参考分子。研究发现在这三种分子中,由于DPA-TPM和PA-TPM分子的溶解性较差,SEM和AFM表明两者成膜性也不如TPA-TPM和spiro-OMeTAD,且空穴迁移率较低,应用到钙钛矿器件性能较差。进一步研究发现以四苯甲烷为核的另一个分子显示出高的玻璃化转变温度,高的水接触角,很好的成膜性和较高的空穴迁移率。以TPA-TPM为空穴传输材料的钙钛矿太阳电池性能比得上spiro-OMeTAD,而且基于其稳定性高于spiro-OMeTAD,显示出了良好的应用潜力。

相应的成果在线发表在美国化学会ACS Applied Materials & Interfaces上。相关链接如下:

另外,团队也将常用于聚合物空穴传输材料中的苯并二噻吩和吡咯并吡咯二酮两种结构作为连接桥引入到小分子空穴传输材料中。研究发现此两种化合物对可见光吸收较差,最高占有分子轨道能级合适、溶解性较好且化合物稳定。将其应用到钙钛矿太阳电池中发现都表现出较好的性能,虽然光电转换效率相比于spiro-OMeTAD较低,但是由于其HOMO能级较低,化合物的开路电压较高。由于化合物中引入了疏水的长链基团,使基于其的电池在高湿度下展现出了较好的稳定性。实验结果证明了这两种化合物有较好的应用潜力。 为了进一步研究小分子空穴传输材料结构对分子和器件性能的影响,团队开发了三种不同桥的小分子空穴传输材料,通过逐步增加分子桥的共轭性研究其对分子和器件的影响。研究发现随着共轭桥稠合度的增加,分子的吸收红移,HOMO能级降低,热稳定性增加,空穴迁移率明显增高。荧光和电化学阻抗谱研究发现桥稠合度的增加能够提高电子-空穴在钙钛矿/空穴传输材料界面的分离,从而提升电池效率。图片 1几种新型不同共轭桥小分子的设计过程及应用

另一方面,由于蒽结构良好的载流子迁移率和稳定性,其已广泛应用到OLED中。因此,课题组第一次将基于蒽结构的空穴传输材料引入到钙钛矿太阳电池中。科研人员进一步研究延分子长共轭桥对钙钛矿太阳电池的影响。首先通过计算发现延长桥的分子端基与桥的位阻减小,实验发现延长分子桥能使吸收蓝移,HOMO能级降低,空穴迁移率升高;在制备这两种材料过程中,发现延长共轭桥的分子在常见溶剂中的溶解性远远高于未延长的分子。AFM研究发现延长桥能使分子成膜性能显著提升。因此,科研人员认为较低的HOMO能级、较高的空穴迁移率和较好的成膜性使基于延长桥的分子器件性能较好。

该工作发表在英国化学会Chemical Communications上。文章链接为:

该系列工作得到国家重点基础研究发展计划、安徽省自然科学基金项目、国家自然科学基金、中伊丝路科学基金项目等资助。

图片 2

三种材料的吸收、发射图,循环伏安曲线和SCLC曲线

图片 3

两种新型空穴传输材料及spiro-OMeTAD的吸收、循环伏安和能级图

编辑:科学 本文来源:中科院格勒诺布尔物质调查探讨院,钙钛矿太阳

关键词: www.bf66.com