电机系易陈谊课题组成功研发新型高效率钙钛矿太阳能电池材料

本文中，清华大学电机系易陈谊课题组基于三苯胺取代的吡咯设计合成了一类新型低成本空穴传输材料T3，并且可以高效地对其空穴传输等性能进行调控，基于该材料的钙钛矿太阳能电池获得了24.85%的高光电转化效率，相关成果发表在国际学术期刊 《德国应用化学》（Angewandte Chemie）上。

空穴迁移率高、能带位置合适且制备简单的空穴传输材料对钙钛矿太阳能电池的发展应用至关重要。然而常用的螺环类空穴传输材料2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴（spiro-OMeTAD）的合成难度大、价格昂贵，难以满足钙钛矿太阳能电池的大规模应用需求。而利用其他空穴传输材料制备的钙钛矿电池的效率大多与spiro-OMeTAD有较大差距，主要原因包括材料薄膜形貌差、载流子迁移率低、与钙钛矿的能级失配等。

鉴于此，清华大学易陈谊团队基于三苯胺取代的吡咯结构设计合成了一类新型空穴传输材料T3，通过丁二炔衍生物与含有不同取代基的苯胺反应可以高效地合成多种带有不同取代基的吡咯衍生物材料（例如T3-F、T3-H、T3-OMe等）。T3材料的合成简单、成本低，而且可以通过最终反应步骤引入新的取代基，实现对材料的薄膜形貌、载流子迁移率和能级位置等性能的调控。

T3空穴传输材料的合成路线示意图

T3空穴传输材料的能级位置表征示意图

通过含有不同取代基的T3衍生物的对比研究发现，氟原子的引入不仅可以有效提升材料的溶解度和薄膜形貌，还可以使材料与钙钛矿之间的能级更匹配，从而减少能量损失。此外，氟原子与钙钛矿表面未配位铅原子之间的相互作用还能钝化钙钛矿的表面缺陷，有利于提升太阳能电池的性能。

使用T3材料的太阳能电池结构和光电转换效率示意图

以T3-F为空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池表现出优异的光电性能，0.10cm²和1cm²的电池效率分别为24.85%和24.03%（认证效率 23.46%），该效率是目前报道的1cm²电池的最高效率之一。此外，用该材料制备的电池表现出良好的稳定性，在连续光照下运行1350小时或在空气中保存3000小时后仍然可以维持其初始效率的80%以上。T3的结构可拓展性为进一步优化材料的综合性能提供了可能性，在有机光电器件和高性能钙钛矿太阳能电池等应用中有着巨大的发展潜力。

该成果以“通过吡咯衍生物调节空穴传输性能实现高性能钙钛矿太阳能电池”（Tuning Hole Transport Properties via Pyrrole Derivation for High-Performance Perovskite Solar Cells）为题发表在国际学术期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie）上。

论文的通讯作者为易陈谊，第一作者为电机系博士生周俊杰，合作者包括中南大学阳军亮教授和清华大学化学系华瑞茂教授。工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、清华大学自主科研项目、电力系统国家重点实验室自主科研项目和国家电网国能生物科研项目基金等项目的支持。

论文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202300314

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