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近期，德國化學會知名學術刊物Angew. Chem. Int. Ed.在線報道了我校吳永真和朱為宏教授課題組在鈣鈦礦太陽電池空穴傳輸材料領域最新研究成果，論文題為: “Coplanar π-Extended Quinoxaline Based Hole-Transporting Material Enabling over 21% Efficiency for Dopant-Free Perovskite Solar Cells（DOI: 10.1002/anie.202013128）”。
鈣鈦礦太陽電池具有光電轉(zhuǎn)化效率高、材料與器件制備成本低等優(yōu)勢，在新型光伏領域受到極大關注。鈣鈦礦電池中空穴傳輸層對于提取傳輸空穴、阻止電子復合及保護鈣鈦礦免受外界水、氧侵蝕都起到重要作用。目前應用最廣泛的空穴傳輸材料（HTM）是Spiro-OMeTAD，但由于其本征空穴遷移率較低，通常需要引入吸水性摻雜劑，如鋰鹽和對叔丁基吡啶等。這種化學摻雜的HTM不僅增加了器件制備難度，而且不利于長期穩(wěn)定性。因此，發(fā)展具有高遷移率、無需摻雜的HTM對于提升鈣鈦礦電池穩(wěn)定性意義重大。
近年來，吳永真和朱為宏教授課題組在新型空穴傳輸材料分子設計、合成與器件應用研究領域取得了一系列創(chuàng)新成果（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 3784, Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 15721, Chem. Sci., 2018, 9, 5919, Adv. Energy Mater., 2019, 9, 1803573, Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1909509）。
最近，他們通過在喹喔啉吡嗪環(huán)上合理的拓展共軛結(jié)構(gòu)提出一種共平面π延伸策略，該策略能夠有效調(diào)控HTM的分子堆積與分子間相互作用，實現(xiàn)了較高的薄膜空穴遷移率并成功制備了高性能非摻雜鈣鈦礦太陽電池。
在吡嗪環(huán)上引入不同噻吩基取代基后，所得HTM TQ3和TQ4顯示出完全不同的分子排列以及電荷傳輸能力。單晶分析表明共平面π延伸的喹喔啉有著明顯的π-π堆積以及更豐富的分子間相互作用。測試了兩種材料的薄膜空穴遷移率，結(jié)合熒光光譜和熒光壽命測試證實了共平面π延伸策略能夠提升HTM的空穴提取及傳輸性能。
基于非摻雜HTM-TQ4的鈣鈦礦電池效率達到21.03%，優(yōu)于Spiro-OMeTAD以及TQ3。此外，當覆蓋一層摻雜的Spiro-OMeTAD時，鈣鈦礦薄膜立即出現(xiàn)了其相應的水合物并加速鈣鈦礦的降解，而非摻雜HTM覆蓋的鈣鈦礦薄膜非常穩(wěn)定。長時間老化測試也表明基于非摻雜TQ4的器件具有優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。該工作為設計新型HTM并實現(xiàn)高效穩(wěn)定非摻雜鈣鈦礦電池提供新的思路。
文章的通訊作者為吳永真教授，第一作者為碩士研究生郭煥鑫，該研究工作得到了朱為宏教授和田禾院士的悉心指導，并得到了材料生物學與動態(tài)化學教育部前沿科學中心、基金委優(yōu)秀青年科學基金、上海市重大科技專項等項目資助。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202013128
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