北理工前沿交叉科學研究院崔彬彬特別副研究員在鈣鈦礦太陽能電池中空穴傳輸材料方面的研究取得新進展
發布日期：2018-05-22 供稿：前沿交叉科學研究院
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近日，在國家自然科學基金青年項目（21703008）和北理工創新人才科技資助專項（“萬人計劃”青年拔尖人才培育基金）的支持下，北京理工大學前沿交叉科學研究院崔彬彬特別副研究員課題組與材料學院陳棋教授課題組合作，在高效率鈣鈦礦太陽能電池 (Perovskite Solar Cells, PSCs)中有機小分子空穴傳輸材料的研究取得新進展。相關研究成果以題為“Naphtho[1,2-b:4,3-b’]dithiophene-Based Hole Transporting Materials for High-performance Perovskite Solar Cells: Molecular Engineering and Opto-electronic Properties”發表于工程技術能源與燃料領域1區雜志 “Journal of Materials Chemistry A”（影響因子8.867）。文章第一作者及首要通訊作者為崔彬彬特別副研究員，陳棋教授為共同通訊作者。
固態有機空穴傳輸層材料如spiro-OMeTAD分子的引入，極大地提高了PSCs的穩定性、效率和壽命；有效的解決了液態電解質不穩定、難封裝及難以大面積生產的問題。但spiro-OMeTAD 分子合成周期長，產率低，成本高等缺點限制了基于該類分子的PSCs的產業化，且以該材料為空穴傳輸層的PSCs的光電轉換效率 PCE基本達到上限。以三芳胺或咔唑作為基本供電子基團，聯苯、吲哚、噻吩和芘等作為核心骨架或連接橋基，不同結構的新型空穴傳輸材料不斷涌現，相比spiro-OMeTAD分子，在一定程度上提高了固態PSCs的光電轉換效率，顯著降低了成本。因此，設計合成可作為空穴傳輸材料的新型有機分子，并應用于PSCs，有望進一步提高電池的效率和壽命，優化電池結構，降低成本，并實現大面積生產和產業化；對于解決能源短缺和環境問題具有重要的科學意義。
圖1 (a)有機分子PBT和NDT的分子結構；（b）基于不同有機分子PSCs器件的最優 J -V曲線；（c）n-i-p型鈣鈦礦太陽能電池器件SEM圖（構造圖）；（d）三種PSCs器件效率柱形分布圖。
崔彬彬及其合作者設計合成了分別以“鄰二噻吩苯”和“萘并雙噻吩”為核心π-bridge的兩種低成本三芳胺類衍生物 PBT和 NDT（圖1a），并將在這兩種 Donor-π-Donor構型的有機小分子作為空穴傳輸層材料應用于鈣鈦礦太陽能電池器件（圖1c）中。以基于spiro-OMeTAD分子的PSCs器件（最優 PCE：18.1%，Reverse）為參照，在同樣條件下，基于PBT的PSCs器件達到的最大光電轉換效率為13.6%, 而以相對于PBT具有更好平面共軛特征的NDT作為空穴傳輸層的PSCs器件最優光電轉換效率可達到18.8%（圖1b）。
圖2 (a)三種有機分子的能級分布和與PVSK的匹配程度；（b）“SCLC”法測試有機分子的空穴遷移率；（c）三種有機分子的電荷收集概率PC ；（d）NDT分子晶體結構中的 π-π堆積和 O-π堆積。
雖然PBT和NDT這兩種有機分子都具有如圖2a所示的，與“鈣鈦礦光吸收層”(PVSK)導價帶能級匹配的且相近的分子最高占有軌道能級(HOMO)和最低未占軌道能級(LUMO)，但NDT分子更好的平面結構使其薄膜材料相較于PBT擁有更佳的π-π堆積效應，以及額外的O-π堆積效應（圖2d），這些特性使NDT表現出更高的空穴遷移率（圖2b，hole mobility，4.873 × 10-3 cm2·V-1·s-1），電荷收集概率（圖2c，Charge collection probability，PC）和傳輸能力。基于以上原因，基于NDT的PSCs器件表現出最優的光電轉換效率。因此，合成工藝簡單且廉價的NDT是一種十分有潛在應用價值的鈣鈦礦太陽能電池空穴傳輸材料。
【作者簡介】
崔彬彬特別副研究員，于2016年在中國科學院化學研究所獲得博士學位，新加坡南洋理工大學公派聯合培養博士（2015-2016）。近三年以第一作者身份在 J. Am. Chem. Soc. ， Angew. Chem. Int. Ed. ， Chem. Sci. 等TOP期刊上發表多篇論文，主要研究方向為近紅外電致變色、邏輯門和信息存儲等光電功能材料，鈣鈦礦太陽能電池中新型空穴傳輸材料的設計和應用以及低維鈣鈦礦發光材料等。
崔彬彬博士2016年9月加入北京理工大學前沿交叉科學研究院，碩士生導師，入職以來獲批國家自然科學基金（21703008）和北理工創新人才科技資助專項-“萬人計劃”青年拔尖人才培育基金，一直致力于空穴傳輸材料和有機-無機雜化鈣鈦礦材料相關方面的研究 (Bin-Bin Cui,* Qi Chen*, Chem. Commun. 2017, 53, 10548)。每年招收材料或化學專業碩士推免生或統考生兩名，聯系郵箱：[email protected]
論文鏈接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2018/TA/C8TA02071J
Bin-Bin Cui,* Ning Yang, Congbo Shi, Shuangshuang Yang, Jiang-Yang Shao, Ying Han, Liuzhu Zhang, Qingshan Zhang, Yu-Wu Zhong and Qi Chen*, J. Mater. Chem. A DOI: 10.1039/c8ta02071j
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