新型铜酞菁衍生物空穴传输材料在钙钛矿太阳能电池中的应用

发布时间：2020-09-14 09:06

　　有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的效率在10年内,由最初3.8%上升到现在认证的23.3%,引起了各国科学家的广泛关注和研究。从性能上看,有机无机杂化钙钛矿薄膜具有载流子迁移速率高、扩散距离长、摩尔消光系数高及光谱吸收宽等优点。从制备工艺和成本上看,它具有工艺简单、生产成本低等优势。因此,钙钛矿太阳能电池是第三代太阳能电池中的佼佼者。但是钙钛矿器件仍然有一些明显缺点制约着钙钛矿电池工业化的发展。例如:钙钛矿薄膜本身对水、热、光不稳定,还有作为电池重要组成部分的空穴传输材料的合成工艺复杂、稳定性差、成本过高以及对电极使用的贵金属价格昂贵等问题。因此,探索研究合成工艺简单、成本低廉,稳定性好的新型空穴传输材料以取代昂贵、不稳定的Spiro-OMeTAD等空穴传输材料具有重要意义。本文运用分子结构设计的方法将三苯胺基团修饰在铜酞菁分子上,得到了空穴传输材料铜酞菁衍生物CuPc-OTPAtBu,结合低温烧结的导电碳为对电极,制备出了一种廉价、稳定、性能较好的新型钙钛矿太阳能电池。用疏水性的P型掺杂材料F4-TCNQ对CuPc-OTPAtBu进行掺杂,不仅可以有效提升其他电荷传递能力,而且可以作为疏水层对钙钛矿薄膜进行保护,以提高钙钛矿电池整体的稳定性。基于掺杂6%F4-TCNQ的CuPc-OTPAtBu作为空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池获得的光电转换效率为15.0%。本文设计并合成了成本低廉、电荷迁移率较高、可溶液旋涂的空穴传输材料铜酞菁衍生物CuPc-DMP。经过测试,证明这种铜酞菁衍生物有着较好的光电性能。基于CuPc-DMP为空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池经过优化获得的光电转换效率为17.1%。本文参照pentacene-TIPS的化学结构设计并合成了空穴传输材料铜酞菁衍生物CuPc-TIPS,采用低温烧结的导电碳为对电极,制备出了性能较优的新型钙钛矿电池。非掺杂的空穴传输材料CuPc-TIPS不仅可以有效的简化电池制备工艺,降低电池制作成本,而且CuPc-TIPS具有疏水性,可以有效的保护钙钛矿薄膜层,从而提高了钙钛矿太阳能电池整体的稳定性。基于非掺杂的CuPc-TIPS为空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池获得的光电转换效率为14.0%。本文将正丁基苯氧基团和正丁氧基苯氧基团两种不同的基团修饰在铜酞菁的分子上,得到了两种全新的铜酞菁衍生物CuPc-Bu和CuPc-OBu,通过研究不同取代基因对铜酞菁分子的分子堆积和界面堆积的影响发现CuPc-OBu的分子间的H堆积和分子与界面间的face-on堆积有利于电荷的传导。再结合界面工程将2D钙钛矿材料修饰到3D钙钛矿材料上,利用2D钙钛矿工的宽能带抑制界面电子复合。CuPc-OBu材料本身具有疏水性,从而提高了钙钛矿电池器件整体的稳定性。基于非掺杂的CuPc-OBu为空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池获得的光电转换效率为17.6%。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM914.4;TB4

【参考文献】