近日，在國家自然科學基金青年項目（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，北京理工大學前沿交叉科學研究院崔彬彬特別副研究員課題組與材料學院“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。