Angew. Chem. :可绿色溶剂加工、不对称非掺杂有机空穴传输材料制备高效稳定的钙钛矿太阳能电池及组件

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近年来,钙钛矿太阳能电池(pero-SCs)发展迅猛,其认证效率已经突破26.1%。使用非掺杂空穴传输层(HTL)是稳定n-i-p pero-SCs的关键。然而,这些HTL材料通常需要使用有毒溶剂氯苯(CB)进行加工,不适合工业生产。而使用绿色溶剂时,由于HTL材料在溶剂中的溶解度有限,导致薄膜形貌不理想,会大幅牺牲器件性能。


为解决这一问题,苏州大学李永舫院士团队李耀文教授等人通过引入不对称极性低聚乙二醇(OEG)侧链,设计了一种非对称线性有机小分子BDT-C8-3O。



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极性OEG侧链使BDT-C8-3O比BDT-DC8具有更大的极性。根据相似相溶原则,具有较大极性的不对称BDT-C8-3O HTL材料在天然非芳香族化合物溶剂3-甲基环己酮(3-MC)等绿色溶剂中具有较好的溶解度。

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从两种HTL材料二聚体堆积模式的几何构型和GIWAXS结果得知,BDT-C8-3O中具有强氢键相互作用和构象柔性的OEG侧链诱导共轭主链表现出两种主要的堆积模式,并且均表现出π-π堆积的增强。从而促进了BDT-C8-3O分子在绿色溶剂中的有序组装,得到的非掺杂BDT-C8-3O薄膜具有长程有序的分子堆积和较高的结晶度。

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具有分子优先取向的BDT-C8-3O能够降低无序能,提高空穴迁移率,并且与钙钛矿能级匹配。因此,非掺杂BDT-C8-3O HTL可以实现n-i-p pero-SCs的高效制备。

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基于CB和3-MC加工的BDT-C8-3O HTLs的n-i-p pero-SCs均获得了世界纪录PCE,分别为24.11%(认证:23.82%)和23.53%。此外,BDT-C8-3O HTL具有出色的空穴传输能力、均匀的电学性质和牛顿流体特性,5×5 cm2组件(有效面积:15.64 cm2)PCE均超过20%。

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基于非掺杂BDT-C8-3O的器件表现出优异的工作、热和湿度稳定性。具有钝化基团和低无序能的BDT-C8-3O HTL降低了pero-SCs中的缺陷密度,从而改善了电荷动力学,提高了PCE和稳定性。


综上所述,该方法是解决HTL材料在绿色溶剂中结晶度和溶解度之间权衡问题的有效途径,同时,它也为设计可绿色溶剂加工的非掺杂HTL材料提供了一种新的思路,从而促进了高效、稳定、环境友好的pero-SCs的开发。

文信息

Green Solvent Processable, Asymmetric Dopant-Free Hole Transport Layer Material for Efficient and Stable n-i-p Perovskite Solar Cells and Modules

该工作第一作者是苏州大学博士研究生成沁蓉,通讯作者为李耀文教授和博士后陈炜杰。


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202312231



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