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人工光合作用研究所鈣鈦礦太陽(yáng)能電池材料研究取得新進(jìn)展

有機(jī)–無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池作為新型高效率、低成本太陽(yáng)能電池在世界范圍內(nèi)引起廣泛關(guān)注。短短幾年時(shí)間內(nèi)，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過23%，表現(xiàn)出巨大的商業(yè)化前景。進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本和提高器件的穩(wěn)定性是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池大規(guī)模應(yīng)用亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。近日，大連理工大學(xué)人工光合作用研究所在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池空穴傳輸材料領(lǐng)域取得了重要研究進(jìn)展。相關(guān)成果以全文形式發(fā)表在能源材料領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊Advanced Energy Materials上(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201803287)。

空穴傳輸層是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中的關(guān)鍵組成部分，對(duì)電池的效率、穩(wěn)定性以及生產(chǎn)成本起到至關(guān)重要的決定作用。酞菁銅是一類合成簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉、具有優(yōu)異穩(wěn)定性的p-型有機(jī)半導(dǎo)體材料。近年來(lái)，酞菁銅作為空穴傳輸材料在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中的研究得到了極大關(guān)注。但是，目前采用酞菁銅空穴傳輸材料的高效率的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池仍然需要摻雜劑來(lái)提高電導(dǎo)率，因此大大降低了器件的空氣穩(wěn)定性。

于澤副研究員在前期工作的基礎(chǔ)上（ChemSusChem2017, 10, 1838–1845；J. Mater. Chem. A 2017, 5, 17862–17866），進(jìn)一步通過分子修飾酞菁銅的結(jié)構(gòu)，制備了酞菁銅衍生物CuPc-Bu和CuPc-OBu（如圖）。雖然這兩個(gè)酞菁銅衍生物在結(jié)構(gòu)上非常相似，但它們的化學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出很大的差異。CuPc-OBu的空穴遷移率為4.30 × 10^?4 cm²?V^?1?S^?1，大大優(yōu)于CuPc-Bu(1.23 × 10^?4 cm²?V^?1?S^?1)。通過掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）測(cè)試發(fā)現(xiàn)，CuPc-OBu具有較好的結(jié)晶性和較強(qiáng)的π-π相互作用。相比之下，CuPc-Bu呈現(xiàn)出edge-on的堆積方式，因此不利于垂直方向載流子的傳輸，導(dǎo)致空穴遷移率比較低。采用非摻雜的CuPu-OBu作為空穴傳輸材料的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池最優(yōu)取得了17.6%的光電轉(zhuǎn)換效率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CuPc-Bu（14.3%）。同時(shí)，CuPc-OBu表現(xiàn)出優(yōu)異的疏水性能（接觸角，106.5°），因此可以有效地阻止水分子對(duì)鈣鈦礦的破壞。和三維/二維鈣鈦礦吸光層相結(jié)合，采用CuPc-OBu的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池表現(xiàn)出良好的長(zhǎng)時(shí)間空氣穩(wěn)定性。未封裝器件在室溫85%高濕度的條件下運(yùn)行120小時(shí)，仍然保持84%的初始效率。同等條件下，采用摻雜添加劑的Spiro-OMeTAD的器件效率快速衰減，僅僅維持了21%的初始效率。該工作為設(shè)計(jì)低成本、高性能以及高穩(wěn)定性的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池空穴傳輸材料提供了新的思路。

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文章的第一作者是大連理工大學(xué)博士研究生蔣曉慶和沈陽(yáng)化工大學(xué)的王東平副教授，于澤副研究員和上海交通大學(xué)的劉烽教授。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)的資金支持。