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刘永胜团队 Angew:高性能非掺杂聚合物空穴传输材料的分子设计

日期: 2023-09-12
浏览次数: 6

来源:南开大学化学学院

钙钛矿太阳能电池(PSC)因其在效率方面的巨大提升和低成本的溶液处理工艺而成为光伏行业一项有前途的技术。目前最先进的PSC中使用的主要HTM仍然是Spiro-OMeTAD,其通常需要通过吸湿性的LiTFSI和叔丁基吡啶(TBP)进行化学掺杂,以提高其迁移率和导电性。因此,基于掺杂HTM的高效PSC在器件成本和稳定性方面面临巨大挑战,为了获得高性能和稳定的PSC,开发非掺杂HTM以取代占主导地位的Spiro-OMeTAD已成为一个紧迫但具有实验挑战性的问题。然而,非掺杂器件的效率仍然低于基于掺杂Spiro-OMeTAD的最佳性能(PCE>25%)。而且目前仍然缺乏一种明确有效的分子设计策略来指导高性能非掺杂HTM的开发。因此,研究聚合物的结构-性能关系对于提供新的材料设计规则和开发用于高性能PSC的高效非掺杂HTM至关重要。

近日,南开大学刘永胜研究员团队提出了一种有效的分子设计策略,通过选择四种结构相关的聚合物并研究它们的结构-性能关系来构筑非掺杂聚合物HTM。具有纵向共轭延伸的共轭给体和受体单元,如BDT-T和BDD,不仅可以增强共轭聚合物骨架的平面性和调控能级,还可以促进薄膜的面-面堆积取向,从而提高电荷提取和传输能力。最终,采用非掺杂聚合物HTM的器件具有1.19V的高开路电压和24.04%的光电转换效率,并且大大提高了器件的操作稳定性。该论文近期发表在Angew. Chem., Int. Ed.上。南开大学刘永胜研究员为该文章的通讯作者,南开大学博士后付强为本文第一作者。(目前已加入香港城市大学Alex Jen教授团队从事博士后研究)。

本文系统地研究了四种具有相似的给体-受体(D-A)结构的聚合物材料(PTB7、PTB7-Th、PBDB-T、PM6)用于非掺杂PSC的结构-性能关系。

本文发现具有纵向共轭侧链的结构单元,如BDT-T和BDD,在调节聚合物共轭骨架的平面性以及相对于钙钛矿表面的薄膜堆积方向发挥着关键作用,可以提高聚合物HTM的电荷提取和传输能力。此外,在结构单元中引入卤素原子,如氟或氯,可以促进聚合物之间的相互作用中并降低其HOMO水平,从而降低开路电压(VOC)的损失。

本文中使用PM6和PM7的非掺杂器件分别获得了24.04%和23.70%的能量转换效率(PCE),并且分别实现1.19 V和1.20 V的高开路电压,是目前基于非掺杂空穴传输材料的钙钛矿光伏器件的最高效率之一。该工作通过调控给体和受体单元,为高性能非掺杂聚合物 HTM 的设计和探索提供了一种非常有效的策略。



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