Small Methods: 用于钙钛矿太阳能电池的可溶液加工的无掺杂小分子空穴传输材料的研究进展

钙钛矿太阳能电池(PSC)自2009年由日本的Miyasaka教授引入到太阳能电池大家庭以来,经过短短11年的发展,其光电转换效率已经从3.8%急速提升至25.2%,成为传统晶硅太阳能电池的有力竞争者。然而PSC长期稳定性的不足,是困扰其产业化的关键因素之一。经典的高效率的PSC通常采用掺杂的spiro-OMeTAD作为空穴传输材料(HTM)。虽然spiro-OMeTAD经过掺杂处理提高了空穴迁移率,有利于空穴的传输和收集,然而掺杂剂的迁移和再分布可能会带来针孔,使得HTM层下面的钙钛矿层因暴露在湿气下而发生降解,从而会造成PSC性能的不稳定。即使HTM层不会形成针孔,锂盐本身的吸湿特性以及钴络合物本身的化学降解倾向也会造成PSC器件在其服役期间内的稳定性不足。为提高PSC的稳定性,研究人员在无掺杂HTM上做了积极探索。而其中的有机小分子材料,则因其相对于无机材料的能级水平可设计性、相对于聚合物材料的分子结构确定性和光伏性能高重现性,而受到重点关注,并取得了显著成果。

近期,南方科技大学材料科学与工程系徐保民教授团队,对可溶液加工的、能量转换效率高于15%的无掺杂小分子HTM做了系统、全面的总结,详细阐述了该类小分子的构性关系。

区别于之前类似工作中主要根据电池器件结构(介孔正型、平面正型、平面反型)来对小分子HTM进行分类分析,该工作首先从小分子的核心结构、外围结构等分子构成单元的角度,将小分子HTM分为两大类、七小类,详细分析总结了其分子结构-基本性能-光伏器件性能之间的构性关系。在含有三苯胺或二苯胺的一大类中,将小分子的核心结构按照螺结构、简单环、三环、多环分为四小类,并发现当小分子以三环作为核心结构时,会有更大几率实现20%以上的高效率,这可能与三环结构易于合成(数量多)、平面性高(空穴迁移率优异)的优势有关。而在不含有三苯胺或二苯胺的另一大类中,则可按核心结构分为酞菁、给体单元、给受体混合三小类。其中以酞菁类、给受体混合类核心结构的表现最佳,并实现了20.56%的高效率。紧接着,文中总结分析了不同器件结构下分子设计的特点,发现当用于反型器件时,分子核心结构多采用低共轭度单元,从而为小分子提供高的光透过性,以减少HTM层与钙钛矿层之间的光吸收竞争;而用于正型器件时,核心结构的共轭程度则很高,以增强分子间的作用力,提升空穴迁移率。最后,文中还对高效的无掺杂小分子HTM的设计给出了设计策略,并展望了该类材料的发展前景。相关综述近期发表于Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.202000254)。

本文第一作者为南方科技大学前沿与交叉科学研究院的张罗正博士,通讯作者为南方科技大学材料科学与工程系徐保民讲席教授(代表作:Adv. Mater. 2018, 30, 1804028; Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1904856; Nano Energy 2019, 57, 248等)。