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南科大郭旭岗教授团队 AFM:基于异构化的双噻吩并噻吩的空穴传输材料 - 硫原子位置异构化对钙钛矿太阳能电池光伏性能的影响

化学与材料科学 化学与材料科学 2022-09-15

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钙钛矿材料由于具有宽的吸收范围、优异的长程电荷迁移率等优点,近几年来成为能源等领域的研究热点。其中,以其为光活性层的太阳能电池(PVSCs)具有制备工艺简单、生产成本低等优势。得益于钙钛矿材料优异的光电性质及其光伏器件加工优势,PVSCs的最高能量转化效率(PCE)已经由2009年的3.8%提升到目前25%以上的水平。在钙钛矿太阳能电池中,空穴传输层(HTLs)在提取空穴、抑制电子传输以及调控钙钛矿形貌等方面发挥着重要作用,各种空穴传输材料,例如无机金属氧化物,有机小分子,有机高分子均被开发并应用于PVSCs。其中有机小分子材料具有明确的分子结构、分子能级和结构易于调控及在合成上的高度可重复性等优势,是目前极具潜力的一类空穴传输材料。

分子异构化是材料合成中常用的策略,会导致分子对称性,溶解性,分子极性等变化,进而影响分子的聚集态结构与光电性质。在PVSC中,空穴传输材料的异构化策略已经成为提升光伏性能的有效手段。近年来,基于噻吩和噻吩衍生物HTLs备受关注。一方面,它们具有高薄膜迁移率与合适的HOMO能级。另一方面,硫原子诱导的Pb-S之间的相互作用也可以钝化钙钛矿表面的Pb2+陷阱。其中,具有稠合三个噻吩环的双噻吩并噻吩(DTT)具有优异的空穴迁移率。研究发现,DTT中硫原子位置异构化对基于其的有机薄膜晶体管和太阳能电池的基本光电特性和器件性能有巨大影响。尽管如此,基于DTT的有机半导体材料在PVSCs的应用中只有少数成功的例子。

近期,南科大郭旭岗&广州大学牛利&河南大学王华教授课题组在《Adv. Funct. Mater.》期刊上合作发表了题为“Isomeric Dithienothiophene-Based Hole Transport Materials: Role of Sulphur Atoms Positions on Photovoltaic Performance of Inverted Perovskite Solar Cells”的文章(DOI:10.1002/adfm.202206311)。该工作以分子异构化策略为材料优化手段,深入研究了DTT中硫原子位置异构化对基于其的HTLs光电性质及器件性能的影响。研究发现,硫原子排列从3T-1(顶部-顶部-顶部),到3T-2(顶部-顶部-底部)再到3T-3(顶部-底部-顶部),对分子骨架的共轭程度、分子轨道能级、上层钙钛矿晶体的生长及形貌有显著地影响,此外该系列HTLs在非卤溶剂2-甲基四氢呋喃中有极好的溶解性和成膜性,其中以3T-3为HTLs(非掺杂)的PVSCs获得最高PCE(19.23%)及器件稳定性,是使用绿色溶剂加工PVSCs的最高效率之一。这些结果证明了空穴传输材料中硫原子位置对PVSCs光伏性能具有很大影响,DTT系列有机半导体在设计合成高效,可绿色溶剂加工HTLs具有巨大潜力。

 


1 代表性的基于分子异构化策略的HTLs。


本文要点



1、随着硫原子位置变化从3T-1至3T-3,分子骨架的共轭程度逐渐增强,π-电子离域程度增强,偶极矩减小。HOMO能级上升,吸收红移,带隙变窄。空穴迁移率逐渐提高。

 


2异构体3T-13T-23T-3理论模拟计算的轨道能级分布,偶极矩以及静电势能面。


 

3 电化学性质及热学性质。(a) 含不同空穴传输层的钙钛矿电池器件的能级示意图;异构体3T-13T-23T-3的:(b) 氯苯溶液及薄膜状态下的紫外可见吸收光谱;(c) DSC曲线;(d) 循环伏安氧化曲线(将材料滴涂在Pt电极上,在0.1 mol/mL Bu4NPF6 (Bu=butyl)的乙腈溶液中测量,扫描速度100 mV/s,以二茂铁为参照)。


2、从3T-1到3T-3,器件的开路电压(Voc)及短路电流(Jsc)可以有效提高,进而提升了器件的PCE。


 

4 光伏性能测试。(a) PVSCs的器件结构;(b) 正向扫描下的J-V曲线;(c) 反向扫描下的J-V曲线;(d) EQE曲线及相应的积分电流密度;(e) MPP下的稳态输出效率;(f) PCE的统计分布图。


3、生长在不同HTMs上的钙钛矿晶体,从3T-1至3T-3,钙钛矿晶体的均一性提高,针孔陷阱减少;三种异构体HTMs可以有效钝化可以钙钛矿表面未配位的Pb2+,钙钛矿与硫原子之间的相互作用逐渐减小;钙钛矿层与HTM之间的非辐射复合损失逐渐降低。


 

5 钙钛矿薄膜形貌测试。异构体3T-13T-23T-3表面上生长的钙钛矿层的: (a) XRD图像;(b-d) 相应的SEM图像。


 

6 XPS测试图:(a) S 2P;(b) Pb 4f。


 

7 不同HTMs与钙钛矿层之间的载流子复合特性测试。(a) 稳态PL光谱;(b) TRPL光谱。


4、从3T-13T-3,相应PVSCs的器件稳定性逐渐提高。

 


8 不同空穴传输层对应的PVSCs的PCE随时间的变化图。


博士研究生杨杰、黄嘉琛、张超为论文共同第一作者。南科大郭旭岗&广州大学牛利,孙会靓&河南大学王华教授为本文的共同通讯作者。王华教授课题组长期致力于氧族稠环低聚物的设计、合成及物性研究。孙会靓教授在2013年首次报道了具有非对称性的DTT基有机半导体材料(J. Org. Chem. 2013, 78, 6271.),本文是首次系统地探索了DTT系列材料在钙钛矿电池中的应用。本课题得到了国家自然科学基金,广东省杰出青年基金,广东省基础及应用基础研究基金,中国博士后科学基金,深圳市自由探索基金,华南理工发光材料与器件国家重点实验室,松山湖材料实验室开放基金以及南方科技大学计算科学与工程中心的支持。


原文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202206311

课题组链接
https://faculty.sustech.edu.cn/guoxg(郭旭岗)
https://ercn.henu.edu.cn/info/1237/1953.htm(王华)
https://faculty.sustech.edu.cn/sunhl(孙会靓)
http://caas.gzhu.edu.cn(牛利)


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