无掺杂D-A型聚合物空穴传输材料的制备及在钙钛矿太阳能电池上的应用

来源 :福建师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jorry1983
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当今世界,随着全球能源需求日益增长,化石燃料的消耗和环境的可持续性给人类的生存带来了巨大挑战。为了减少对化石燃料能源的依赖,人们已经发明和研究了如太阳能、风能、潮汐能和生物质能等各种类型的绿色可再生能源,被公认为是解决能源危机的有效方案。特别是,目前正在对有效利用太阳能的光伏技术进行的研究受到了广泛的关注,其主要是将太阳能转化为电能来满足人类的能源需求。值得注意的是,近年来钙钛矿太阳能电池(PVSCs)发展迅速,其能量转化效率(PCE)已将提高到了25.5%,引起了研究热潮。空穴传输层(HTL)在大多数高效PVSCs中起着关键作用。特别是在n-i-p型常规结构的PVSCs中,HTL可以通过多种方式提高器件性能,包括空穴注入和输运、界面优化、抑制电荷复合以及保护钙钛矿活性层免受氧、水和金属电极的伤害等。虽然Spiro-OMe TAD小分子空穴传输材料(HTM)陆续带来了PVSCs的高PCE记录,但薄膜质量差和对添加剂的要求对器件的长期稳定性带来了一些负面影响。因此,无掺杂、致密的聚合物HTL作为Spiro-OMe TAD掺杂HTL的潜在替代品受到广泛关注。电子给体(D)-电子受体(A)型聚合物因其优越的空穴传输特性而成为一种很有前途的HTM。因此,本文主要从D-A型聚合物的合成和改性,以及作为HTMs在PVSCs器件中的应用展开相关研究,主要内容如下:(1)以引达省并二并噻吩(IDTT)为电子给体,不同侧链的噻吩并吡咯二酮(TPD)为电子受体聚合,合成了两个新的D-A型聚合物PT-1和PT-2。通过对TPD受体单元侧链的剪裁来调控这类D-A型聚合物的光电性能,并用作HTM探究其在PVSCs的应用潜力。构建了ITO/Sn O2/perovskite/HTL/Mo O3/Ag平面结构的PVSCs器件,PT-2作为HTM制备的优化后的无掺杂器件,表现出16.41%的PCE,而基于PT-1的器件仅有11.47%。(2)以IDTT为电子给体,苯并三氮唑(BTA)为电子受体,采用不同的噻吩作π桥合成了两种新型空穴传输材料BT-T和BT-TT。系统探究了单噻吩和并噻吩的引入对材料性能的影响。BT-T和BT-TT均表现出合适的能级、高的空穴迁移率,良好的perovskite/HTL界面接触。BT-T和BT-TT作为无掺杂HTL分别应用到ITO/Sn O2/perovskite/HTL/Mo O3/Ag的n-i-p型无掺杂钙钛矿太阳能电池。相比之下,采用单噻吩桥联策略有效提高了BT-T器件的JSC和FF,获得的PCE为17.10%,基于BT-TT的器件获得了15.75%的PCE。(3)聚合物PDT-T和PDTT-T采用相同的苯并二噻吩-4,8-二酮(BDD)作为A单元和噻吩作为π桥,而D单元分别为引达省并二噻吩(IDT)和IDTT。两种聚合物均表现出良好的空穴迁移率、匹配的能级和优异的成膜能力。基于PDTT-T器件的PCE最大值为19.02%,采用无掺杂PDT-T和PDTT-T的PVSCs的器件稳定性优于参考器件,证实了在D-A型聚合物HTMs上进行精确分子设计对获得高效稳定PVSCs的意义。
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