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高分子学院张海昌团队在钙钛矿太阳能电池领域取得新进展

作者:高分子学院 审核:方璇 来源:高分子学院 编辑:方璇   点击: 日期:2022-08-29

近日,青科大高分子学院张海昌教授团队和芬兰坦佩理工大学Prof. Dr. Paola Vivo和Dr. Maning Liu团队合作在国际著名期刊 “Nano Energy” 上(中科院JCR一区TOP期刊,影响因子19.1)发表了题为“Hydrogen bonding drives the self-assembling of carbazole-based hole-transport material for enhanced efficiency and stability of perovskite solar cells”的研究成果。高分子学院硕士研究生王成为第一作者,张海昌教授为通讯作者,金沙乐娱app9908下载为第一完成单位。

对于新一代太阳能电池而言,通过对钙钛矿太阳能电池(PSCs)钝化络合以及对钙钛矿和载流子传输层的界面自组装修饰已经成为制造高性能和高稳定性钙钛矿太阳能电池的一种重要策略,与此同时,氢键作用往往是设计一种高温超导材料的有效方式。氢键(HB)是氢原子和含有一孤对电子的电负性原子之间的一种非共价静电驱动的相互作用,可以实现分子间或分子内的有序纳米结构。到目前为止,含氢键空穴传输层(HTMs)的应用主要限于制备p-i-n倒置的PSCs。本团队在之前的工作中,通过内酰胺类小分子经热处理形成分子内氢键有助于制备高性能的倒置PSCs (冠军器件的光电转换效率(PCE)为21.62%,CCS-Chemistry, 2021, 3, 3309–3319),在氮气气氛中500h最大功率点追踪(MPPT)测试后,该器件仍能保持其初始性能的87%。但是这种方法不适合于n-i-p标准PSCs。因此,设计一种合适的含氢键HTM,能够在钙钛矿界面自组装,并在没有封装的情况下提高n-i-p PSCs的性能和环境稳定性是非常必要的,但也具有挑战性。

这项研究展示了一种新型的HTM设计的策略及优势,它可以通过HB缔合在钙钛矿表面自组装成长距离有序的夹层。通过设计一种丁酰胺取代咔唑(CA)为基础的材料,在两端都覆盖了三苯胺(TPA)的富电子单元,即O1。O1分子表现出良好的空穴选择性、能级取向和稳定性,同时通过氢键缔合自组装成钙钛矿表面的有序界面修饰,即N-H···O=C。由于在O1 HTM中形成了与氢键相关的超分子结构,O1的空穴迁移率比O2(非含氢键参考HTM)增加了3倍。在钙钛矿和O1 HTM界面的氢键定向自组装过渡层显著提高了空穴提取,同时有效地阻碍了非辐射电荷复合。在n-i-p标准PSCs中使用O1 HTM与不含氢键的O2 HTM相比,性能显著提高32%。经我们的无封装器件在空气中连续1个太阳光照(100 mW cm-2)下的MPPT测试证实,O1 HTM为基的器件的稳定性显著增强,T80寿命为35.5小时,比O2 HTM为基的太阳能电池(T80=3.7小时)高出近一个数量级,同时在空气中(黑暗,相对湿度~50%)存储132天后仍然可以保持其初始PCE的82%,但基于O2的设备的PCE在相同的时间跨度内被降低到其初始值的40%以下。我们将这些结果归因于钙钛矿和O1 HTM之间的氢键定向自组装夹层结构。

图1。(a)O1和(b)O2在钙钛矿表面的化学结构和各自的假设排列及(c)O1HTMs钝化模拟示意图。

总之,通过提出一种结合了空穴传输功能和通过自组装成有序中间层来改变钙钛矿界面的材料(O1),相信这一工作将为进一步修改HTM设计以获得高效和稳定的n-i-p标准PSCs铺平道路。

本课题研究得到了泰山学者人才工程,金沙乐娱app9908下载启动基金等项目的资助。

论文题目:Hydrogen bonding drives the self-assembling of carbazole-based hole-transport material for enhanced efficiency and stability of perovskite solar cells

论文作者:Cheng Wang, Maning Liu*, Sunardi Rahman, Hannu Pekka Pasanen, Jingshu Tian, Jianhui Li, Zhifeng Deng, Haichang Zhang *, Paola Vivo*

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107604

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