清華新聞網(wǎng)2月16日電 近日，清華大學(xué)電機(jī)系易陳誼副教授課題組基于三苯胺取代的吡咯設(shè)計(jì)合成了一類(lèi)新型低成本空穴傳輸材料T3，并且可以高效地對(duì)其空穴傳輸?shù)刃阅苓M(jìn)行調(diào)控，基于該材料的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池獲得了24.85%的高光電轉(zhuǎn)化效率。
空穴遷移率高、能帶位置合適且制備簡(jiǎn)單的空穴傳輸材料對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展應(yīng)用至關(guān)重要。然而常用的螺環(huán)類(lèi)空穴傳輸材料2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴（spiro-OMeTAD）的合成難度大、價(jià)格昂貴，難以滿(mǎn)足鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的大規(guī)模應(yīng)用需求。而利用其他空穴傳輸材料制備的鈣鈦礦電池的效率大多與spiro-OMeTAD有較大差距，主要原因包括材料薄膜形貌差、載流子遷移率低、與鈣鈦礦的能級(jí)失配等。
鑒于此，易陳誼團(tuán)隊(duì)基于三苯胺取代的吡咯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合成了一類(lèi)新型空穴傳輸材料T3，通過(guò)丁二炔衍生物與含有不同取代基的苯胺反應(yīng)可以高效地合成多種帶有不同取代基的吡咯衍生物材料（例如T3-F、T3-H、T3-OMe等）。T3材料的合成簡(jiǎn)單、成本低，而且可以通過(guò)最終反應(yīng)步驟引入新的取代基，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的薄膜形貌、載流子遷移率和能級(jí)位置等性能的調(diào)控。
T3空穴傳輸材料的合成路線(xiàn)示意圖
T3空穴傳輸材料的能級(jí)位置表征示意圖
通過(guò)含有不同取代基的T3衍生物的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，氟原子的引入不僅可以有效提升材料的溶解度和薄膜形貌，還可以使材料與鈣鈦礦之間的能級(jí)更匹配，從而減少能量損失。此外，氟原子與鈣鈦礦表面未配位鉛原子之間的相互作用還能鈍化鈣鈦礦的表面缺陷，有利于提升太陽(yáng)能電池的性能。
使用T3材料的太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)和光電轉(zhuǎn)換效率示意圖
以T3-F為空穴傳輸材料的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出優(yōu)異的光電性能，0.10cm2和1cm2的電池效率分別為24.85%和24.03%（認(rèn)證效率23.46%），該效率是目前報(bào)道的1cm2電池的最高效率之一。此外，用該材料制備的電池表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，在連續(xù)光照下運(yùn)行1350小時(shí)或在空氣中保存3000小時(shí)后仍然可以維持其初始效率的80%以上。T3的結(jié)構(gòu)可拓展性為進(jìn)一步優(yōu)化材料的綜合性能提供了可能性，在有機(jī)光電器件和高性能鈣鈦礦太陽(yáng)能電池等應(yīng)用中有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
近日，該成果以“通過(guò)吡咯衍生物調(diào)節(jié)空穴傳輸性能實(shí)現(xiàn)高性能鈣鈦礦太陽(yáng)能電池”（Tuning Hole Transport Properties via Pyrrole Derivation for High-Performance Perovskite Solar Cells）為題發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie）上。
論文的通訊作者為易陳誼副教授，第一作者為電機(jī)系2020級(jí)博士生周俊杰，合作者包括中南大學(xué)陽(yáng)軍亮教授和清華大學(xué)化學(xué)系華瑞茂教授。該工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)自主科研項(xiàng)目、電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主科研項(xiàng)目和國(guó)家電網(wǎng)國(guó)能生物科研項(xiàng)目基金等的支持。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202300314
供稿：電機(jī)系
編輯：李華山
審核：郭玲
