Nano Energy: 低成本二氰基荧蒽类非掺杂空穴传输材料实现高效柔性钙钛矿太阳能电池- 大数跨境

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Nano Energy: 低成本二氰基荧蒽类非掺杂空穴传输材料实现高效柔性钙钛矿太阳能电池

科学材料站

2021-01-11

导读：本文通过结合三苯胺取代二苯胺、引入氰基及改变甲氧基取代位置三种结构调控策略，成功开发了两个以二氰基荧蒽为核的D-A-D型非掺杂HTMs，即BTF5和BTF6。

文章信息

Nano Energy: 低成本二氰基荧蒽类非掺杂空穴传输材料实现高效柔性钙钛矿太阳能电池

研究背景

近年来，有机无机杂化钙钛矿太阳能电池发展迅猛，单结器件的能量转换效率（PCE）已经突破25%。空穴传输层是高性能钙钛矿电池的重要组成部分，但常用的空穴传输材料（HTMs）如spiro-OMeTAD和PTAA等，由于空穴迁移率不高，需要引入掺杂剂进行提升，器件进而不可避免地带来了成本的提升以及器件长期稳定性的下降。设计合成高效且低成本的非掺杂HTMs是解决这一问题的重要发展方向。

文章简介

近日，华中科技大学的李忠安教授和香港城市大学的朱宗龙教授课题组合作，在前期工作基础上（Chem. Sci., 2018, 9, 2698；Chem. Sci., 2019, 10, 6899），通过结合三苯胺取代二苯胺、引入氰基及改变甲氧基取代位置三种结构调控策略，成功开发了两个以二氰基荧蒽为核的D-A-D型非掺杂HTMs，即BTF5和BTF6。

其中，BTF6应用于反式器件获得了20.34%的PCE，且器件稳定性较掺杂PTAA器件明显提高。令人惊喜的是，BTF6还适用于制备非掺杂的柔性反式器件，PCE超过18%，远高于目前所报道的应用于柔性器件中的非掺杂小分子HTMs (~13%)。这一研究成果表明了通过结合不同的分子调控策略，可以有效优化HTMs的性能参数，包括能级、空穴迁移率、形貌以及对上层钙钛矿生长的影响。此外，该研究还证实了非掺杂小分子在反式柔性器件中的应用潜力。

图 1. BTF5-6的分子设计示意图。

作者通过优化合成路线显著降低了材料的合成成本，即通过简单D-A反应首先制备出未见文献报道的2,3-二氰基荧蒽核，再由偶联反应获得终产物。紫外-可见透过谱、接触角测试、电化学、形貌、热稳定性以及SCLC等测试均表明BTF5-6有作为非掺杂HTMs的潜力。同时，结果表明，与具有对位甲氧基取代的BTF5相比，具有间位甲氧基取代的BTF6具有更合适的HOMO能级（-5.24 eV vs. -5.03 eV）以及更高的空穴迁移率（1.4×10-3 cm2 V-1s-1 vs. 9.0×10-4 cm2 V-1s-1。

图2. BTF5-6的合成路线.

基于ITO/HTL/Perovskite/C60/BCP/Ag反式器件结构，基于BTF6的器件效率达到20.34% （Voc = 1.13 V, Jsc = 22.23 mA cm-2, FF = 0.81），明显高于基于BTF5的器件效率（11.42%, Voc = 0.80 V, Jsc = 21.31 mA cm-2, FF = 0.67），且能与F4-TCNQ掺杂的PTAA器件（21.05%）相近，但表现出更好的器件稳定性（BTF6的器件效率在光照500 h后仍能保持不变）。作者还通过钙钛矿薄膜形貌和缺陷态密度等测试详细研究了BTF5的器件性能较差的原因。结果显示，在BTF5上生长的钙钛矿薄膜具有较差的结晶性且缺陷密度更高。该结果充分说明了反式器件中的HTMs对上层钙钛矿的结晶生长的重要作用。

图3. a) 能级示意图；b) 基于不同HTMs的器件J-V曲线；c) 器件光稳定性测试。

为了发挥反式器件的结构优势，作者采用ITO覆盖的PET作为柔性基底，进一步制备了基于非掺杂BTF6的柔性器件。该器件的PCE高达18.06%，且Voc达到1.09 V，是目前已报道的非掺杂小分子柔性器件中的最好性能。

图4. a）BTF6柔性器件的J-V曲线和照片；b) 基于不同HTMs反式柔性器件的PCE和Voc统计图。

综上所述，作者通过优化合成路径及合理的结构设计，制备出低成本的以二氰基荧蒽为核的D-A-D型非掺杂HTMs。得益于更合适的能级、更高的空穴迁移率以及对上层钙钛矿生长的有利作用，具有间位甲氧基取代的BTF6的反式器件效率达到20.34%，远高于BTF5，且接近掺杂PTAA器件效率。同时，BTF6的柔性器件PCE也达到18.06%，表明非掺杂小分子HTMs在柔性器件中具有巨大的应用潜力。这一研究工作有机小分子对非掺杂HTMs的设计与开发，反式器件中HTMs的作用以及柔性钙钛矿器件的发展具有一定的指导意义。

文章链接

“Dopant-free dicyanofluoranthene-based hole transporting material with low cost enables efficient flexible perovskite solar cells”

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128552031274X