東吳大學(xué)Adv. Sci：基于空穴傳輸材料分子設(shè)計(jì)獲得高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽(yáng)能電池

主要內(nèi)容

近年來(lái)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）由于其在光電性能、熱穩(wěn)定性、高性價(jià)比的制備工藝和轉(zhuǎn)換效率（PCE）等方面的進(jìn)步，在可再生新能源技術(shù)領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。鈣鈦礦基器件的PCE從2009年的3.8%達(dá)到2024年的26.1%，幾乎能與商用硅基太陽(yáng)能電池相媲美。然而，spiro-OMeTAD的大規(guī)模應(yīng)用和商業(yè)化面臨諸多限制，包括其合成過(guò)程繁瑣、純化程序復(fù)雜、成本高昂，以及空穴遷移率和電導(dǎo)率不足等問(wèn)題。

在這篇文章中，東吳大學(xué)化學(xué)系（臺(tái)北）林彥多副教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成了一系列基于5H?二噻吩并[3,2?b:2′,3′?d]吡喃（DTP）的HTM，分別命名為Me-H、Ph-H、CF3-H、CF3-mF和CF3-oF用于PSC的制備。在研究了取代基對(duì)于 DTP 的 HTM 與鈣鈦礦界面能級(jí)、成膜特性、空穴提取和缺陷鈍化效應(yīng)的影響后，發(fā)現(xiàn)與帶有兩個(gè)甲基取代的HTM Me-H相比，帶有兩個(gè)苯基的HTM Ph-H表現(xiàn)出增強(qiáng)分子間的堆疊，從而提高電荷提取和傳輸效率，改善了薄膜形成使得Ph-H PSC器件PCE達(dá)到19.73%，高于Me-H器件的19.03%。

Me-H、Ph-H、cf3系列HTMs的合成方法

Me-H、Ph-H、cf3系列HTMs的合成方法

a) 通過(guò)DFT計(jì)算得到Me-H、Ph-H和cf3系列優(yōu)化結(jié)構(gòu)的俯視圖和側(cè)視圖   b)在B3LYP/6-31（d,p）能級(jí)用DFT計(jì)算HOMO和LUMO能級(jí)的電子密度

a) spiro-OMeTAD、Me-H、Ph-H、cf3系在THF溶液中的歸一化吸收光譜和光致發(fā)光光譜。b)二茂鐵、spiro-OMeTAD、Me-H、Ph-H和cf3系列在THF溶液中的差分脈沖伏安法（DPV）。c) Me-H、Ph-H和cf3系列的能帶排列

a) (a) Me-H膜、b) Ph-H膜、c) CF3-H膜、d) CF3-mF膜、e) CF3-oF膜的二維GIWAXS圖，f) Me-H、Ph-H、CF3-H、CF3-mF、CF3-oF的面外切線

通過(guò)在苯基環(huán)上引入兩個(gè)三氟甲基并在三苯胺單元上引入額外的氟原子（CF3系列），成功地降低了HTM的HOMO能級(jí)，使其與鈣鈦礦層的價(jià)帶更好地匹配。這一改進(jìn)不僅提高了成膜性能和空穴遷移率，還增強(qiáng)了鈣鈦礦薄膜界面處的缺陷鈍化效果。因此，基于CF3-H、CF3-mF和CF3-oF的PSC器件，PCE分別提升至22.33%、23.41%和24.13%。

a)穩(wěn)態(tài)光致發(fā)光光譜                                                              b)時(shí)間分辨光致發(fā)光（TRPL）曲線

鈣鈦礦薄膜和鈣鈦礦/HTMs的俯視圖SEM圖(a)和AFM圖(h)

原始CF3-oF薄膜和涂覆CF3-oF的鈣鈦礦薄膜中pb4f、i3d、f1s和s2p的XPS曲線

dft模擬了鈣鈦礦表面上不同HTMs的堆積模式和結(jié)合能

a)以CF3-oF為HTM的PSC器件的SEM橫截面圖像。b)以Me-H、Ph-H、cf3系列和spiro-OMeTAD為HTMs的**PSC器件的J-V特性。c) 20個(gè)獨(dú)立器件pce的統(tǒng)計(jì)分布。d) Me-H、Ph-H、cf3系列以及基于spiro- ometad的psc輸出功率穩(wěn)定。e)基于CF3-oF和spiro-OMeTAD的大面積（孔徑面積為1.00 cm2） psc的J-V曲線。插圖是大面積PSC的圖片。f)具有Me-H、Ph-H、cf3系列和spiro-OMeTAD的psc的EQE譜和積分電流

a)環(huán)境條件（20-25℃）下不同HTMs未封裝器件的歸一化PCE；b)加熱條件下（85℃）；c)在N2條件下40°c @1 sun持續(xù)光照

值得注意的是，基于CF3-oF的器件實(shí)現(xiàn)了*高的PCE，益于其更好的能級(jí)對(duì)準(zhǔn)、更高的空穴提取效率和出色的薄膜形態(tài)特性。研究中發(fā)現(xiàn)大面積（1.00 cm2）含有CF3-oF的PSC效率達(dá)22.31%，表明該材料在大面積PSC應(yīng)用中同樣具有潛力。不僅為PSC制備中HTM的合理分子設(shè)計(jì)提供了一種提高效率和穩(wěn)定性的有效策略，還為DTP基HTM的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和優(yōu)化提供了有效的參考價(jià)值，推動(dòng)PSC技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展。

文獻(xiàn)信息

Judicious Molecular Design of 5H?Dithieno[3,2?b:2′,3′?d]Pyran-based Hole-Transporting Materials for Highly Efficient and Stable Perovskite Solar Cells

Kun-Mu Lee, Chia-Hui Lin, Chia-Chi Chang, Ting-Yu Yang, Wei-Hao Chiu, Wei-Chen Chu, Ya-Ho Chang, Sie-Rong Li, Shih-I Lu, Hsiao-Chi Hsieh, Kang-Ling Liau, Chia Hui Hu, Chih-Hung Chen, Yun-Shuo Liu, Wei-Chun Chou, Mandy M. Lee, Shih-Sheng Sun, Yu-Tai Tao, Yan-Duo Lin

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202410666

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