近日，在國家自然科學(xué)基金青年項目（21703008）和北理工創(chuàng)新人才科技資助專項（“萬人計劃”青年拔尖人才培育基金）的支持下，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院崔彬彬特別副研究員課題組與材料學(xué)院“青年千人”陳棋教授課題組合作，在高效率鈣鈦礦太陽能電池(Perovskite Solar Cells,PSCs)中有機小分子空穴傳輸材料的研究取得新進展。相關(guān)研究成果以題為“Naphtho[1,2-b:4,3-b’]dithiophene-Based Hole Transporting Materials for High-performance Perovskite Solar Cells:Molecular Engineering and Opto-electronicProperties”發(fā)表于工程技術(shù)能源與燃料領(lǐng)域1區(qū)雜志“Journal of Materials Chemistry A”（影響因子8.867）。文章第一作者及首要通訊作者為崔彬彬特別副研究員，陳棋教授為共同通訊作者。柴油發(fā)電機組

固態(tài)有機空穴傳輸層材料如spiro-OMeTAD分子的引入，極大地提高了PSCs的穩(wěn)定性、效率和壽命；有效的解決了液態(tài)電解質(zhì)不穩(wěn)定、難封裝及難以大面積生產(chǎn)的問題。但spiro-OMeTAD分子合成周期長，產(chǎn)率低，成本高等缺點限制了基于該類分子的PSCs的產(chǎn)業(yè)化，且以該材料為空穴傳輸層的PSCs的光電轉(zhuǎn)換效率PCE基本達到上限。以三芳胺或咔唑作為基本供電子基團，聯(lián)苯、吲哚、噻吩和芘等作為核心骨架或連接橋基，不同結(jié)構(gòu)的新型空穴傳輸材料不斷涌現(xiàn)，相比spiro-OMeTAD分子，在一定程度上提高了固態(tài)PSCs的光電轉(zhuǎn)換效率，顯著降低了成本。因此，設(shè)計合成可作為空穴傳輸材料的新型有機分子，并應(yīng)用于PSCs，有望進一步提高電池的效率和壽命，優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)，降低成本，并實現(xiàn)大面積生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化；對于解決能源短缺和環(huán)境問題具有重要的科學(xué)意義。

圖1(a)有機分子PBT和NDT的分子結(jié)構(gòu)；（b）基于不同有機分子PSCs器件的最優(yōu)J-V曲線；（c）n-i-p型鈣鈦礦太陽能電池器件SEM圖（構(gòu)造圖）；（d）三種PSCs器件效率柱形分布圖。

崔彬彬及其合作者設(shè)計合成了分別以“鄰二噻吩苯”和“萘并雙噻吩”為核心π-bridge的兩種低成本三芳胺類衍生物PBT和NDT（圖1a），并將在這兩種Donor-π-Donor構(gòu)型的有機小分子作為空穴傳輸層材料應(yīng)用于鈣鈦礦太陽能電池器件（圖1c）中。以基于spiro-OMeTAD分子的PSCs器件（最優(yōu)PCE：18.1%，Reverse）為參照，在同樣條件下，基于PBT的PSCs器件達到的最大光電轉(zhuǎn)換效率為13.6%,而以相對于PBT具有更好平面共軛特征的NDT作為空穴傳輸層的PSCs器件最優(yōu)光電轉(zhuǎn)換效率可達到18.8%（圖1b）。

圖2(a)三種有機分子的能級分布和與PVSK的匹配程度；（b）“SCLC”法測試有機分子的空穴遷移率；（c）三種有機分子的電荷收集概率PC；（d）NDT分子晶體結(jié)構(gòu)中的π-π堆積和O-π堆積。

雖然PBT和NDT這兩種有機分子都具有如圖2a所示的，與“鈣鈦礦光吸收層”(PVSK)導(dǎo)價帶能級匹配的且相近的分子最高占有軌道能級(HOMO)和最低未占軌道能級(LUMO)，但NDT分子更好的平面結(jié)構(gòu)使其薄膜材料相較于PBT擁有更佳的π-π堆積效應(yīng)，以及額外的O-π堆積效應(yīng)（圖2d），這些特性使NDT表現(xiàn)出更高的空穴遷移率（圖2b，hole mobility，4.873×10^-3 cm²˙V^-1˙s^-1），電荷收集概率（圖2c，Charge collection probability，P_C）和傳輸能力。基于以上原因，基于NDT的PSCs器件表現(xiàn)出最優(yōu)的光電轉(zhuǎn)換效率。因此，合成工藝簡單且廉價的NDT是一種十分有潛在應(yīng)用價值的鈣鈦礦太陽能電池空穴傳輸材料。