侧链修饰的苯并二噻吩空穴传输材料的合成及在钙钛矿太阳能电池中的应用研究

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近年来,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池凭借其简单的制备工艺、灵活的器件结构以及较高的光电转换效率,受到工业和学术界广泛关注。而设计开发新型高效的空穴传输材料,对于促进钙钛矿太阳能电池发展,实现其商业化应用有重要意义。本文以苯并二噻吩作为中心核,通过溴化、Suzuki偶联等反应引入三芳胺基团和不同长度的烷基侧链,合成得到了三个新型空穴传输材料4,4’-(4,8-二甲氧基苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩-2,6-二基)双(N,N-双(4-甲氧基苯基)苯胺)(BTPA-C),4,4’-(4,8-二丙氧基苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩-2,6-二基)双(N,N-双(4-甲氧基苯基)苯胺)(BTPA-3C)和4,4’-(4,8-双(辛氧基)苯并[1,2-b:4,5-b’]二噻吩-2,6-二基)双(N,N-双(4-甲氧基苯基)苯胺)(BTPA-8C),利用核磁共振图谱(NMR)和高分辨质谱(HRMS)对目标化合物和相应的中间体进行结构表征。系统研究了各化合物的热性能、光物理性能和电化学性能,结果表明:各化合物薄膜在100°C时均能保持无定形态,具有较好的热稳定性;3个化合物的HOMO能级均在-5.33 e V左右,与钙钛矿的价带及金属对电极的功函相匹配,有利于光生空穴的提取和传输;同时,化合物LUMO能级均为-2.77 e V,高于钙钛矿材料的导带,能够阻挡电子传输,减少因复合而产生的载流子损失。以三个材料制备的空穴传输薄膜具有良好的空穴传输性能,其空穴迁移率分分别为2.88×10-4、3.98×10-4和6.99×10-5 cm~2 V-1 s-1。将BTPA系列化合物作为空穴传输材料应用于钙钛矿太阳能电池,探究了含不同侧链的化合物对相应器件光电性能的影响。研究表明:空穴传输材料的最佳浓度为20mg/m L的氯苯溶液;烷基侧链最短的BTPA-C成膜性有待提高,而烷基侧链最长的BTPA-8C空穴迁移率较低,同时具有较好成膜性和载流子传输能力的BTPA-3C作为空穴传输材料时对应器件的光电转换效率最高,达到了18.60%(Jsc=22.98 m A/cm~2,Voc=1.05 V,FF=76.48%),且电池具有良好的稳定性和重现性,在湿度为45±5%的条件下老化30天后其效率仍能保持初始效率的80%以上。
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