含有蒽醌染料的非掺杂空穴传输材料

为了解决环境污染、气温变暖以及能源短缺等问题，太阳能电池被认为是一个有效的方法。因此，越来越多的科学家对太阳能电池展开了深入研究。为了能实现商业化应用，研究的课题也主要集中在降低成本、提高能量转化效率（PCE）以及稳定性等问题上。除了高效稳定的传统硅基太阳能电池外，染料敏化太阳能电池（DSSCs）、有机太阳能电池（OSCs）以及钙钛矿太阳能电池（PSCs）是目前比较火的三个方向，都是使用纯有机或者有机-无机混合溶液沉积在基底上形成光吸收半导体层。这类活性层能很好的调节光吸收，成本低效率高，并能够形成柔性的薄膜，这为实现卷对卷印刷提供了可能性。有机染料具有高摩尔消光系数的吸收、结构可调节、载流子迁移率易于控制等优点，被广泛应用到PSCs的空穴传输材料（HTMs）中。其中，Spiro-OMeTAD具有优良的光电性能，作为空穴传输层材料已被广泛地应用于有机-无机杂化PSCs中。但Spiro-OMeTAD薄膜较低的空穴迁移率以及薄膜较差的稳定性也使其应用受限。为了寻找更好的HTMs，科学家们设计合成了各种各样的分子，一般基于三苯胺（TPA）的HTMs比较易于合成并且能够得到高效器件。

图1. TPA-ANT-TPA和ACE-ANT-ACE的合成路线。图片来源：Adv. Energy Mater.

最近，澳大利亚昆士兰科技大学（QUT）Prashant Sonar教授（点击查看介绍）课题组设计合成了TPA-ANT-TPA和ACE-ANT-ACE（见图1）作为非掺杂的HTMs用在介孔TiO₂/CH₃NH₃PbI₃/HTM结构的PSCs中，获得了与基于Spiro-OMeTAD的PSCs相当的器件效率。其中基于TPA-ANT-TPA的PSCs获得17.5%的器件效率，并且发现非掺杂的TPA-ANT-TPA具有很好的反湿润性，在钙钛矿表面能形成均一薄膜，这对下面的钙钛矿层能形成很好的保护作用，从而提高了器件的稳定性。

作者首先测试了TPA-ANT-TPA和ACE-ANT-ACE在溶液以及薄膜状态下的吸收（如图2）。从图上可以看出分子的溶液和薄膜的吸收基本相差不大，这可能是因为分子在薄膜中并没有表现出很强的结晶。TPA-ANT-TPA吸收比ACE-ANT-ACE的吸收有轻微的红移，作者认为这可能是因为前者具有更大的共轭平面以及TPA更强的供电子能力。作者还用光电子能谱测试了分子的HOMO以及LUMO能级，从图2c可以明显看出，这两个分子与钙钛矿层具有接近的HOMO能级，保证了空穴传输的实现。

图2. （a）UV吸收；（b）光电子能谱；（c）能级图；（d）横断面扫描电子显微镜图像。图片来源：Adv. Energy Mater.

为了研究这两个分子的空穴传输能力，作者制备了非掺杂的器件，并制备了含有掺杂剂的正装Spiro-OMeTAD作空穴传输层的器件作为对比，相关的器件性能见图3和表1。其中基于TPA-ANT-TPA的器件获得最高的效率17.5%，基于Spiro-OMeTAD的器件也取得了相当的效率16.8%，并且这两种器件在反扫时都没有表现出迟滞现象。然而ACE-ANT-ACE器件效率仅为13.1%，作者认为这可能是因为它与钙钛矿的HOMO能级比较接近，阻碍了有效的空穴传输。

图3 .（a）J-V曲线；（b）EQE曲线；（c）最大功率点追踪。图片来源：Adv. Energy Mater.

表1. 光伏性能参数。图片来源：Adv. Energy Mater.

此外，作者测试了器件的稳定。在最优条件下制备器件，没有封装的情况下放在温度为22 ℃，湿度大于等于58%的环境下。从图4可以明显看出Spiro-OMeTAD的器件分解速度要比TPA-ANT-TPA的快，暴露在上述条件下50 h，TPA-ANT-TPA器件仍能保持14%的器件效率，而Spiro-OMeTAD器件的效率仅为2.3%。作者通过表面形貌的相关测试解释了基于新型空穴传输材料器件稳定性提高的原因。

图4. 稳定性测试。图片来源：Adv. Energy Mater.

总体来说，Prashant Sonar教授课题组通过选用价格低廉的染料作为核制备了高效稳定的HTMs，这为开展钙钛矿电池实用化的相关研究奠定了基础，对于丰富HTMs体系提供了更广阔的设计思路。

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Molecular Engineering Using an Anthanthrone Dye for Low-Cost Hole Transport Materials: A Strategy for Dopant Free, High-Effciency, and Stable Perovskite Solar Cells

Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201703007

导师介绍

Prashant Sonar

http://www.x-mol.com/university/faculty/26528