鈣鈦礦太陽能電池中空穴的產生與收集效率是決定電池能量轉化效率的一個重要因素. 小分子類空穴傳輸材料在鈣鈦礦太陽能電池中有非常好的應用潛力. 目前, 高效率鈣鈦礦太陽能電池大多採用有機小分子spiro-OMeTAD作為空穴傳輸材料, 然而其合成步驟複雜, 成本高, 且在空氣中穩定性較差. 因此, 開發低成本, 易製備, 高效率和高穩定性的有機空穴傳輸材料是鈣鈦礦太陽能電池的重要研究方向.
最近, 在中國科學院先導專項和國家自然科學基金委支援下, 中科院化學研究所光化學重點實驗室研究員鐘羽武和分子納米結構與納米技術重點實驗室研究員胡勁松合作, 發展了一類低成本, 易製備二維共軛有機小分子空穴傳輸材料OMe-***yr, 將其應用於鈣鈦礦太陽能電池中, 取得平均20%的能量轉化效率.
科研人員通過四步簡單有機轉化, 以26%總產率, 克級規模製備OMe-***yr, 現階段實驗室成本約為50美元/克, 比spiro-OMeTAD成本降低一半以上, 並可進一步優化合成步驟和降低成本. OMe-***yr在常用有機溶劑中溶解性好, 並具有較好的成膜性能. 熱穩定性測試表明, 化合物OMe-***yr具有良好的熱穩定性, 適用於製備高穩定性的光電器件. 電化學和光譜研究表明, 該空穴傳輸材料能級與三元鈣鈦礦Cs0.05FA0.81MA0.14PbI2.55Br0.45 (CsMAFA)能級相匹配. 化合物OMe-***yr中噻吩基團的引入, 增強了分子的電子離域範圍, 穩定了HOMO能級, 更有利於空穴的注入. 另外, 由於OMe-***yr中的S原子與鈣鈦礦中的Pb之間存在一定Pb-S相互作用, 可以鈍化鈣鈦礦晶體中的表面缺陷. 噻吩基團的引入可以提高載流子的傳輸能力並抑制界面複合, 提高器件效率和削弱遲滯效應. 基於OMe-***yr的鈣鈦礦太陽能電池的能量轉化效率可達20.6%, 平均能量轉化效率為20.0%. 未封裝的器件在放置60天之後還維持了92%的初始效率. 化合物OMe-***yr是目前少數幾個已報道的能量轉化效率超過20%的空穴傳輸有機小分子, 具有較好的應用前景. 相關工作近期發表於Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 10959上, 並被Sci. China Chem. (DOI: 10.1007/s11426-018-9331-y) 亮點報道. 相關成果已申請中國專利 (專利申請號: 201810185852.0) .
