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浙江大学袁艺&王鹏J. Mater. Chem. A:85 ℃下,用于稳定钙钛矿太阳能电池的吩噻嗪基半导体共聚物的主链工程

导语:有机-无机杂化卤化铅钙钛矿的溶剂处理薄膜在光吸收、载流子寿命和电荷迁移率方面具有优异的性能。


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1.前言回顾


有机-无机杂化卤化铅钙钛矿的溶剂处理薄膜在光吸收、载流子寿命和电荷迁移率方面具有优异的性能。在过去的十年里,它们作为异质结太阳能电池中的光吸收层引起了学术界和工业界的极大关注,钙钛矿太阳能电池(PSCs)现已达到25.7%的功率转换效率(PCE)。实现钙钛矿薄膜的高质量沉积、选择优异夹层和电荷传输层是合成具有高效稳定的PSCs的关键因素。


2.文献简介


基于此,浙江大学化学系的袁艺和王鹏等人,通过钯催化的直接芳基化反应,将3,7-二溴-10-(2-辛基十二烷基)吩噻嗪分别与亚乙基二氧噻吩(EDOT)和EDOT-二甲氧基亚苯基-EDOT(EBEM)反应,合成了两种具有高产率的交替共聚物:p-PTZ-E和p-PTZ-EBEM。同时,他们研究了共聚单体EDOT和EBEM对吩噻嗪基半导体聚合物的各种性能的影响,包括能级、玻璃转变温度、水渗透和空穴传输。值得注意的是,两种共聚物非晶膜的迁移率与导电性均取决于空穴密度。在7.5%重量百分比的条件下,将p-PTZ-EBEM与4-叔丁基吡啶鎓双(三氟甲磺酰基)酰亚胺进行混合,获得了1.0×1018 cm3的空气掺杂的空穴密度,1.4×10-3 cm2V-1s-1的空穴迁移率,225 μS cm-1的电导率。通过利用空气掺杂的p-PTZ-EBEM复合膜作为空穴传输层,介孔二氧化钛作为电子传输层,三元混合阳离子钙钛矿作为光吸收层,该课题组成功制备了功率转换效率在21.0%-21.8%之间的PSCs。并且,这些电池在85℃下均表现出显著的操作稳定性和热稳定性。


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图1. (a) 用二茂铁(Fc)作为电位参考下测量的薄膜循环伏安图;(b-c) 半导体聚合物薄膜的紫外光电子能谱; (d-e); 等值线为0.02的HOMO等值线图; (f) Tauc图;(g) 覆盖和不覆盖半导体聚合物的CsMAFA钙钛矿膜的时间分辨光致发光(PL)轨迹


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图2. (a-b) 电子顺磁共振光谱;磁场强度,B;吸收强度的一阶导数,dI/dB; (c) dI/dB的二次积分; (d) 孔密度(p); (e) 电导率图; (f) 空穴迁移率图; (g-h) Arrhenius图


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图3. (a-d) 模拟AM1.5G辐照下PSCs的光伏参数统计; (e) J-V曲线;(f) EQE图谱;(g) 从EQE曲线看JSC与积分光电流密度的相关性;(h) Mott-Schottky图


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图4. 模拟AM1.5G阳光下p-PTZ-EBEM电池的最大功率点(MPP)


3.文献总结


总之,该课题组通过钯催化的直接芳基化缩聚成功地合成了两种吩噻嗪基交替共聚物。值得注意的是,在相同的加工条件下,吩噻嗪与亚乙基二氧噻吩-二甲氧基亚苯基亚乙基二氧化噻吩的结合形成了更高的HOMO能级,并且增加了空穴密度、提高了空穴迁移率和增强了导电性能。因此,当该聚合物(p-PTZ-EBEM)被用作PSCs中的空穴传输层时,其表现出高达21.8%的功率转换效率。值得注意的是,该聚合物还表现出更高的玻璃转变温度,这也有助于提高PSCs的长期运行稳定性和在85℃下的存储稳定性。相关研究成果发表于国际知名期刊《Journal of Materials Chemistry A》,题为“Main chain engineering of phenothiazine-based semiconducting copolymers for stable perovskite solar cells at 85℃”。


本文关键词:钯催化;直接芳基化;空穴传输层;转换效率;钙钛矿太阳能电池


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