共轭反芳香卟啉的合成及其在钙钛矿太阳能电池的应用

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卟啉是18 π电子的芳香性共轭大环结构,由4个吡咯单元和4个桥接的碳构成大平面结构。其独特的共轭电子性质与吸收光谱让他成为天然的模板与改装平台并应用在药物医疗、光催化、超分子自组装、太阳能电池受体与电子传输层等领域中。金属有机方法学的不断进步更是为卟啉环的修饰提供了支持。在近期研究中,人们发现以卟啉为基础平台可以合成具有反芳香性的稳定结构。与普通芳香性卟啉相比,具有一定反芳香性的卟啉拥有更窄的能带和宽且红移的光谱,而这有利于提高在光伏器件中提高光吸收能力。在有机太阳能电池中,卟啉衍生物常常作为供体材料,提高电池器件的光吸收与开路电压(VOC)。反芳香卟啉较低的吸光系数与较高的最高占有轨道(HOMO)能级不适宜像普通芳香性卟啉一样应用在有机太阳能电池中。但是,在钙钛矿太阳能电池中,卟啉可以作为掺杂物提高器件的光吸收,而不是直接决定器件开路电压。因此,拥有高最高占有轨道能级与低吸光系数的反芳香性卟啉可以在钙钛矿太阳能电池中良好表现。然而,由于反芳香卟啉合成困难且溶解度不佳,至今只有芳香性卟啉用于掺杂钙钛矿太阳能电池。这给予了我们很大的兴趣研究有效的反芳香性卟啉的合成与在钙钛矿太阳能电池中的应用。在本论文中,我们将噻吩稠环锌卟啉与吡啶并吡咯二酮基团串联,合成具有反芳香性的共轭的供-受体结构卟啉衍生物,并将其掺杂在钙钛矿中提高器件光吸收。最终使用掺杂的钙钛矿太阳能电池器件取得了最高19.3%的光电转化效率,提高了器件的短路电流与开路电压。基于此,本工作研究了反芳香卟啉的功能化并且揭示了反芳香性材料在未来光伏器件领域的应用前景。
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