北理工在钙钛矿太阳能电池中空穴传输材料方面的研究取得新进展

近日，在国家自然科学基金青年项目（21703008）和北理工创新人才科技资助专项（“万人计划”青年拔尖人才培育基金）的支持下，北京理工大学前沿交叉科学研究院崔彬彬特别副研究员课题组与材料学院“青年千人”陈棋教授课题组合作，在高效率钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells,PSCs)中有机小分子空穴传输材料的研究取得新进展。相关研究成果以题为“Naphtho[1,2-b:4,3-b’]dithiophene-Based Hole Transporting Materials for High-performance Perovskite Solar Cells:Molecular Engineering and Opto-electronicProperties”发表于工程技术能源与燃料领域1区杂志“Journal of Materials Chemistry A”（影响因子8.867）。文章第一作者及首要通讯作者为崔彬彬特别副研究员，陈棋教授为共同通讯作者。

固态有机空穴传输层材料如spiro-OMeTAD分子的引入，极大地提高了PSCs的稳定性、效率和寿命；有效的解决了液态电解质不稳定、难封装及难以大面积生产的问题。但spiro-OMeTAD分子合成周期长，产率低，成本高等缺点限制了基于该类分子的PSCs的产业化，且以该材料为空穴传输层的PSCs的光电转换效率PCE基本达到上限。以三芳胺或咔唑作为基本供电子基团，联苯、吲哚、噻吩和芘等作为核心骨架或连接桥基，不同结构的新型空穴传输材料不断涌现，相比spiro-OMeTAD分子，在一定程度上提高了固态PSCs的光电转换效率，显著降低了成本。因此，设计合成可作为空穴传输材料的新型有机分子，并应用于PSCs，有望进一步提高电池的效率和寿命，优化电池结构，降低成本，并实现大面积生产和产业化；对于解决能源短缺和环境问题具有重要的科学意义。

图1(a)有机分子PBT和NDT的分子结构；（b）基于不同有机分子PSCs器件的最优J-V曲线；（c）n-i-p型钙钛矿太阳能电池器件SEM图（构造图）；（d）三种PSCs器件效率柱形分布图。

崔彬彬及其合作者设计合成了分别以“邻二噻吩苯”和“萘并双噻吩”为核心π-bridge的两种低成本三芳胺类衍生物PBT和NDT（图1a），并将在这两种Donor-π-Donor构型的有机小分子作为空穴传输层材料应用于钙钛矿太阳能电池器件（图1c）中。以基于spiro-OMeTAD分子的PSCs器件（最优PCE：18.1%，Reverse）为参照，在同样条件下，基于PBT的PSCs器件达到的最大光电转换效率为13.6%,而以相对于PBT具有更好平面共轭特征的NDT作为空穴传输层的PSCs器件最优光电转换效率可达到18.8%（图1b）。

图2(a)三种有机分子的能级分布和与PVSK的匹配程度；（b）“SCLC”法测试有机分子的空穴迁移率；（c）三种有机分子的电荷收集概率PC；（d）NDT分子晶体结构中的π-π堆积和O-π堆积。

虽然PBT和NDT这两种有机分子都具有如图2a所示的，与“钙钛矿光吸收层”(PVSK)导价带能级匹配的且相近的分子最高占有轨道能级(HOMO)和最低未占轨道能级(LUMO)，但NDT分子更好的平面结构使其薄膜材料相较于PBT拥有更佳的π-π堆积效应，以及额外的O-π堆积效应（图2d），这些特性使NDT表现出更高的空穴迁移率（图2b，hole mobility，4.873×10-3cm2?V-1?s-1），电荷收集概率（图2c，Charge collection probability，PC）和传输能力。基于以上原因，基于NDT的PSCs器件表现出最优的光电转换效率。因此，合成工艺简单且廉价的NDT是一种十分有潜在应用价值的钙钛矿太阳能电池空穴传输材料。