一步合成廉價高效的咔唑基鈣鈦礦太陽能電池空穴傳輸材料

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近年來，有機/無機雜化鈣鈦礦太陽能電池因具有獨特的性質引起了研究者的廣泛關注，相關研究工作被Science雜誌評為2013年十大科技突破之一。目前這種新型太陽能電池已經表現出大於22%的高光電轉換效率（PCE），還具有成本低、工藝簡單以及可製備柔性電池等一系列優點，有望對整個太陽能科學與技術行業以及人類經濟和社會生活產生巨大的影響。

對於鈣鈦礦太陽能電池而言，空穴傳輸材料對器件效率和穩定性具有極為重要的影響。然而，目前普遍使用的空穴傳輸材料如spiro-OMeTAD、PTAA等普遍存在合成和提純困難、成本高昂等一系列缺點，嚴重阻礙了鈣鈦礦光伏技術的商業推廣。因此，設計一種合成簡單、純化方便、成本低廉、性能優越的空穴傳輸材料對鈣鈦礦太陽能電池的發展具有極為重要的意義。

近日，南京理工大學的唐衛華教授和美國托萊多大學的鄢炎發教授課題組合作，在Nano Energy上發表文章，他們以價格低廉的咔唑原料作為母核，通過一步簡單的Suzuki偶聯反應獲得了一種高效的空穴傳輸材料CZ-TA，其合成成本僅為spiro-OMeTAD的1/20。在器件優化的過程中，研究者發現CZ-TA只需50 nm的厚度即可達到效率的最大值，而spiro-OMeTAD則需要200 nm左右，這也使得單位器件上使用CZ-TA的成本僅為spiro-OMeTAD的1/80。該論文共同第一作者為尹新星、關蕾和俞江升。

圖1. CZ-TA的合成路線圖

以CZ-TA為空穴傳輸層的器件效率達了18.32%，而同樣條件下製備的基於spiro-OMeTAD的參照器件的效率則為18.28%。

圖2. 器件界面的SEM圖與器件的J-V曲線圖

值得一提的是，基於CZ-TA的器件表現出高達81.0%的填充因子（FF），遠高於spiro-OMeTAD的77.1%。為了探究其原因，作者進行了理論計算、熒光淬滅及時間分辨熒光光譜、短路電流與光強關係、空穴遷移率等一系列測試，所有數據都表明CZ-TA比spiro-OMeTAD更有利於空穴的傳輸和分離。

圖3.（a）熒光和（b）時間分辨熒光光譜；（c）短路電流與光強的關係；（d）SCLC空穴遷移率

該工作通過一步反應獲得一種廉價高效的有機小分子空穴傳輸材料，基於其鈣鈦礦太陽能電池獲得了18.32%的轉化效率和高達81%的填充因子，具有很大的應用潛力。

該論文作者為：Xinxing Yin, Lei Guan, Jiangsheng Yu, Dewei Zhao, Changlei Wang, Niraj Shrestha, Yingbin Han, Qiaoshi An, Jie Zhou, Baojing Zhou, Yue Yu, Corey R. Grice, Rasha Abbas Awni, Fujun Zhang, Jianbo Wang, Randy J. Ellingson, Yanfa Yan, Weihua Tang

One-step facile synthesis of a simple carbazole-cored hole transport material for high-performance perovskite solar cells

Nano Energy,2017,40, 163, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.08.016

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