廉价高性能的钙钛矿太阳能电池空穴传输材料

来源：X一MOL资讯

今年是钙钛矿太阳能电池（PSC）诞生的第十年，在过去的十年中钙钛矿太阳能电池取得了令人瞩目的发展，器件效率从最初的3.8%飞速增长到了24.2%。有机空穴传输层材料的引入，有利于提高钙钛矿太阳能电池的稳定性，效率和寿命。现有商业化空穴传输材料Spiro-OMeTAD分子合成周期长、产率低、成本高、需要掺杂导致稳定性低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。近日，南方科技大学的许宗祥课题组通过设计合成可作为空穴传输材料的新型酞菁分子，并应用于PSCs，实现进一步提高电池的效率和寿命，优化电池结构，降低成本，对于解决能源短缺和环境问题具有重要的科学意义。

传统的空穴传输材料Spiro-OMeTAD为代表的芳胺类化合物由于其结构多样性、易于调节的前线轨道能级、较好的成膜能力和高的热稳定性与形态稳定性，在多个技术领域也受到了极大的关注。氮原子的易氧化和有效传输正电荷的能力，使芳胺基团成为强电子给体。然而，由于芳胺的非平面构象及核心氮与芳基之间的扭曲，芳胺化合物大部分是无定形的。这降低了芳胺化合物的电荷载流子迁移率，并导致芳胺化合物需要p型掺杂，这些掺杂又会进一步降低器件的稳定性。另外，芳胺的伪三维共轭结构及其在空穴传输材料中的螺旋桨构象阻止了钙钛矿与空穴传输材料之间的紧密接触，从而降低了钙钛矿的电荷提取率。而且其合成复杂，售价昂贵。

许宗祥课题组在前期研究工作中，已发表多个基于烷烃修饰的高性能酞菁基非掺杂空穴传输材料（Sol. RRL, 2018, 2, 1800050；Nano Energy, 31 (2017) 322–330；J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 24416–24424）。为提高酞菁空穴传输层与钙钛矿活性层的相互作用，从分子设计角度出发，结合理论计算，该课题组原创性地将甲氧基修饰的三苯胺基团引入到酞菁分子上，通过结合三苯胺基团自身的优点和铜酞菁的刚性大π共轭平面和高载流子迁移率特性，开发出新一代具有潜力的免掺杂钙钛矿空穴传输材料，该材料通过分子动力学模拟证实其在平行于酞菁核的取向上具有更强的π-π相互作用，实现非掺杂条件下高载流子迁移速率。将该材料免掺杂应用在钙钛矿太阳能电池上，获得19.7%的转换效率（为目前已报道的免掺杂酞菁空穴材料的最高纪录之一）。

并且器件在960小时内仍能保持92%的初始效率，稳定性远高于Spiro-OMeTAD。同时许宗祥团队进行了成本分析，计算出其成本比Spiro-OMeTAD低将近20倍。该工作为非掺杂空穴传输材料研发提供了新的思路，也将进一步推进钙钛矿太阳能电池产业化成为可能。

这一成果近期发表在Advanced Energy Materials 上，并被选为封面，文章的第一作者是南方科技大学研究助理冯垚淼和本科生胡启锟。