应用于高效钙钛矿太阳能电池的非对称二苯砜基空穴传输材料学术资讯

来源：X一MOL资讯

英文原题：Asymmetric Sulfonyldibenzene-based Hole-Transporting Materials for Efficient Perovskite Solar Cells: Inspiration from Organic Thermally-Activated Delayed Fluorescence Molecules

通讯作者： Zhenguo Chi（池振国）, Sun Yat-sen University；Juan Zhao（赵娟）, Sun Yat-sen University；Fei Wu（吴飞），Southwest University ；Linna Zhu（朱琳娜），Southwest University

作者：Tian Qin（秦田）, Fei Wu（吴飞）, Dongyu Ma（马东羽）, Yingxiao Mu（穆英啸）, Xiaojie Chen（陈晓洁）, Zhiyong Yang（杨志涌），Linna Zhu（朱琳娜），Yi Zhang（张艺），Juan Zhao（赵娟）and Zhenguo Chi（池振国）

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（perovskite solar cell, PSC）在过去十多年里取得迅猛发展，目前，认证效率已经超过25%。然而，PSCs除了稳定性较差外，器件的高成本造价也是钙钛矿太阳能电池未来走向产业化需要解决的问题。其中，降低空穴传输材料（hole-transport materials, HTM）的制备成本就是一条有效途径。在钙钛矿电池中，HTM起到抽取并传输光生空穴的重要作用。目前，Spiro-OMeTAD是最为广泛使用的一种HTM，但它具有合成复杂、价格昂贵、需要掺杂等缺点。因此，亟需开发具有容易合成、低成本的高效空穴传输材料。
自2013年以来，中山大学池振国教授课题组就开始从事同时具有聚集诱导发光（aggregation-induced emission，AIE）和热激活延迟荧光（thermally activated delayed fluorescence，TADF）性能的发光材料，即AIE-TADF材料的开发研究（热激活延迟荧光材料、其合成方法及使用该热激活延迟荧光材料的OLED器件，中国发明专利申请号：201310739678.7；具有热激活延迟荧光和聚集诱导发光性能的压致发光材料及其合成方法和应用，中国专利申请号：201310413578.5），并于2014年年底报道了利用非对称分子结构策略设计合成AIE-TADF高效发光材料（Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 874-878）。2019年，该课题组报道了基于二苯砜结构的AIE-TADF发光材料用于制备非掺杂有机发光二极管（OLED），实现28.7%的外量子效率（Chem. Sci., 2019, 10, 8129–8134），表明该类分子结构具有一定的载流子传输性能有利于高效发光。同时，二苯砜结构分子的扭曲构型有助于避免分子聚集，使其较容易溶解于有机溶剂中（如氯苯），而这对于提升空穴传输层薄膜的品质非常重要。结合上述特点，池振国教授课题组与西南大学朱琳娜教授课题组合作，从二苯砜结构TADF分子衍生开发出一系列应用于钙钛矿太阳能电池的含二苯砜基有机空穴传输材料，如图1所示。经过系列研究发现，二苯砜基结构空穴传输材料CS-01、CS-02和CS-03仍然具有TADF性质。进一步，将CS-01、CS-02和CS-03空穴传输材料应用于n-i-p结构钙钛矿太阳能电池的制备。结果表明，CS-01作为HTM时的PSC器件获得最高效率为19.94%，高于相同条件下Spiro-OMeTAD作为HTM对应标准器件的效率（19.59%），如图2所示。而CS-02和CS-03作为HTM时，对应PSC器件的最高效率分别为15.62%和16.17%。经过粗略成本计算，CS-01空穴传输材料的实验室制备成本约为103元/克，远低于Spiro-OMeTAD的商业价格（1000元/克），这对降低PSC器件制备成本具有重要意义。

图1. 二苯砜结构TADF分子及其HTM分子

图2. 钙钛矿太阳能电池器件结构和电流密度-电压性能
尽管对于这类材料的TADF性质与空穴传输性能以及器件性能之间的关系，还有待于更深入的研究，但是该项工作的重要意义在于，它说明可以直接利用或改造现有TADF材料为钙钛矿太阳能电池领域所用，这或许为钙钛矿太阳能电池性能的进一步提升提供一条新的途径。

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