浙大王鹏团队: 高性能钙钛矿太阳能电池空穴输运材料设计新思路

文摘   2024-10-31 09:57   英国  

研究背景

低成本、可溶液加工的卤化铅基钙钛矿薄膜在新型异质结太阳能电池中具有良好的应用前景。目前,单结钙钛矿太阳能电池的最高认证能量转换效率已达 26.7%。高效、稳定的钙钛矿太阳能电池不仅依赖于高质量的钙钛矿薄膜,还依赖于性能优越的电荷输运材料。

应用于 n-i-p 型钙钛矿太阳能电池的有机半导体,需要具有良好的成膜性和空穴导电,在长期受热时形貌也不能发生退化。与分子半导体相比,共轭高分子主链更长,主链间也可能发生缠结,这些均有利于电荷输运。此外,高分子薄膜还具有独特的粘弹性,呈现更强的抗冲击、抗断裂能力。

迄今为止,已有不少共轭高分子被用作 n-i-p 型钙钛矿太阳能电池的空穴输运材料,然而输运和力学性能均优良的材料并不多见。

研究内容

稠杂环芳烃具有独特的 π 共轭骨架,已应用于多种光电子器件。近日,浙江大学王鹏教授团队(2024 届直博生蔡瑶杭张雨燕为论文共同第一作者)设计并合成了一种由氧杂[5]螺烯衍生的稠杂环芳烃 DTPF4,并制得其交替共聚物 p-DTPF4-EBEH。通过与相关的均聚物 p-DTPF4 和 p-EBEH 进行系统的比较,建立了共轭高分子化学结构、物性与功能之间的内在关联。

  • 图 1. spiro-OMeTAD、p-DTPF4、p-DTPF4-EBEH 及 p-EBEH 的化学结构


该工作首先基于 Miyaura 硼化、Suzuki–Miyaura 交叉偶联、羰基加成、分子内 Friedel–Crafts 环化,制备出一种溶解度高、悬挂四个对己基苯的二(噻吩并非那烯)并呋喃(DTPF4)。随后,通过钯催化直接芳基化缩聚制得其均聚物 p-DTPF4,p-DTPF4 虽然具有高的空穴迁移率,但 HOMO 能级过深,不适用于 n-i-p 型钙钛矿太阳能电池。为了调控共轭高分子的 HOMO 能级,进一步将富电子的 5,5'-(2,5-双(己氧基)-1,4-亚苯基)双(3,4-乙撑二氧噻吩)(EBEH)与 DTPF4 交替共聚,制得交替共聚物 p-DTPF4-EBEH。相比于均聚物 p-DTPF4 和 p-EBEH,交替共聚物 p-DTPF4-EBEH 不仅具有更适宜的 HOMO 能级,其与空气氧化掺杂促进剂共混的复合薄膜还呈现出更均匀平整的形貌和更高的电导率。以 p 型掺杂的 p-DTPF4-EBEH 基复合薄膜作为空穴输运层,制备出平均能量转换效率达 25.8% 的钙钛矿太阳能电池,显著高于相同条件下由 spiro-OMeTAD(24.3%)、p-DTPF4(17.8%)和 p-EBEH(10.5%)制备的电池。此外,相比于明星分子半导体 spiro-OMeTAD,基于 p-DTPF4-EBEH 的空穴输运层具有更高的杨氏模量、更优异的防水性能,并能够更有效地抑制外源物种的扩散,其电池表现出更优的热存储稳定性和运行稳定性。

  • 图 2. (A-C)在 100 mW cm-2 的 AM1.5G 模拟太阳光辐照下,最大功率点(MPP)的光伏参数:(A)光电流密度(JMPP);(B)光电压(VMPP);(C)能量转换效率(PMPP)。(D 和 E)拟合 MPP 追踪过程间歇测量的 J-V 曲线所得的串联电阻(Rs)和并联电阻(Rsh)。(F)由分子动力学模拟所得的空穴输运层中各种离子在 45 °C 时的扩散系数(D)。其中,TBPH+ 为 4-叔丁基吡啶鎓阳离子,TFSI 为双(三氟甲磺酰)亚胺阴离子,FA+ 为甲脒阳离子,I- 为碘阴离子。
该工作为高性能空穴输运材料的设计提供了新的思路。该成果以 “Conjugated polymers of an oxa[5]helicene-derived polycyclic heteroaromatic: tailoring energy levels and compatibility for high-performance perovskite solar cells” (《含氧杂[5]螺烯基稠杂环芳烃的共轭高分子:调控 HOMO 能级和复合薄膜混溶性制备出高性能钙钛矿太阳能电池》)为题,发表在英国皇家化学会期刊 Chemical Science 上,并入选“2024 ChemSci Pick of the Week Collection”“2024 Chemical Science HOT Article Collection”

论文信息

  • Conjugated polymers of an oxa[5]helicene-derived polycyclic heteroaromatic: tailoring energy levels and compatibility for high-performance perovskite solar cells
    Yaohang Cai,‡ Yuyan Zhang,‡ Lingyi Fang, Yutong Ren, Jidong Zhang, Yi Yuan, Jing Zhang and Peng Wang*王鹏,浙江大学)
    Chem. Sci., 2024, 15, 15263-15273
    https://doi.org
    /10.1039/D4SC04244A

作者简介

王鹏 教授
浙江大学

本文通讯作者,浙江大学化学系求是特聘教授,博士生导师。2006 年入选中科院百人计划,2011 年获得国家杰出青年科学基金资助,2016 年入选国家高层次人才特殊支持计划领军人才。主要从事有机光电材料及器件的研究,在 Nat. Mater.、Joule、Matter、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Sci. 等国际学术期刊上以第一/通讯作者发表论文 175 篇,单篇引用 500 次以上 10 余篇。王鹏教授负责设计、指导并组织了本研究工作。


期刊介绍

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rsc.li/chemical-science

Chem. Sci.

2-年影响因子*7.6
5-年影响因子*8.0
JCR 分区*Q1 化学-综合
CiteScore 分14.4
中位一审周期33 


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Editor-in-Chief

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    🇬🇧 利物浦大学

Associate editors
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    🇫🇷 格勒诺布尔阿尔卑斯大学/法国原子能和替代能源委员会

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    🇺🇸 哥伦比亚大学

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    🇺🇸 得克萨斯农工大学

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    🇺🇸 芝加哥大学

  • Toshiharu Teranishi
    🇯🇵 京都大学

  • Andrei Yudin
    🇨🇦 多伦多大学

* 2023 Journal Citation Reports (Clarivate, 2024)

 CiteScore 2023 by Elsevier

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