螺環(huán)類鈣鈦礦太陽能電池空穴傳輸材料的合成與性能研究.pdf

1、太陽能光伏發(fā)電是解決目前能源危機(jī)與環(huán)境污染問題的一種有效途徑。太陽能來源豐富且清潔可再生，與太陽能關(guān)系密切的太陽能電池備受關(guān)注。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，太陽能電池的種類從傳統(tǒng)的晶硅太陽能電池發(fā)展到各類新型太陽能電池，包括晶體硅太陽能電池、有機(jī)薄膜電池以及鈣鈦礦太陽能電池等。尤其是鈣鈦礦太陽能電池，從2009年出現(xiàn)至今，僅在短短七年時(shí)間內(nèi)就實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換效率的飆升，曾被Science評(píng)為“2013年十大科學(xué)突破”之一，成為目前新型太陽能電池的研

2、究熱點(diǎn)，目前報(bào)道的最高效率已經(jīng)高達(dá)22％以上。
　　鈣鈦礦太陽能電池如此優(yōu)越的光電轉(zhuǎn)化效率離不開其中的空穴傳輸材料，空穴傳輸材料能有效收集空穴并傳輸空穴。因此，開發(fā)新型空穴傳輸材料并對(duì)性能的研究是提升鈣鈦礦太陽能電池整體性能的一種重要途徑。
　　目前，對(duì)空穴傳輸材料的研究熱點(diǎn)之一是有機(jī)小分子類，由于有機(jī)分子類材料具有合成方法靈活、成功率高、材料成膜性好、空穴遷移率高、熱穩(wěn)定性好、化學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與調(diào)節(jié)可控、器件能量轉(zhuǎn)化效率高等諸

3、多優(yōu)點(diǎn)，從而開發(fā)此類新型空穴傳輸材料備受重視。通常，有機(jī)小分子空穴傳輸材料按分子結(jié)構(gòu)大體可以分為三類:直鏈類、星狀類、螺環(huán)類。目前轉(zhuǎn)換效率最高的電池當(dāng)屬使用螺環(huán)類的空穴傳輸材料，同時(shí)螺環(huán)類空穴傳輸材料因其獨(dú)特的剛性非平面結(jié)構(gòu)和分子間的共軛性提供了該類材料優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和良好的空穴遷移率。
　　本論文從鈣鈦礦太陽能電池的基本工作原理出發(fā)，結(jié)合了鈣鈦礦吸光層的價(jià)帶能級(jí)的匹配原則、電池器件結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、材料的合成成本上把控，設(shè)計(jì)合成了幾

4、類新型的螺環(huán)類和咔唑類有機(jī)小分子空穴傳輸材料，并對(duì)它們進(jìn)行了基本理化性質(zhì)的一些表征和器件上的使用，論文的主要研究?jī)?nèi)容包括:
　　(1)從廉價(jià)易得的原料著手，設(shè)計(jì)合成了兩種二苯胺類外圍片段和兩種咔唑二苯胺類外圍片段，通過低溫反應(yīng)、關(guān)環(huán)反應(yīng)、NBS溴代反應(yīng)、Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)、Buckwald-Hartwig偶聯(lián)反應(yīng)等，實(shí)現(xiàn)片段與中間核的C-N偶聯(lián)，從而合成新的目標(biāo)分子。
　　(2)設(shè)計(jì)合成了兩類螺環(huán)核和兩類咔唑苯胺片段，進(jìn)而

5、合成了三種類似spiro-OMeTAD的空穴傳輸材料Spiro-IF、Spiro-X1和Spiro-X2與兩種咔唑苯胺類衍生物的空穴傳輸材料Ph-D1和Ph-D2，并利用核磁、質(zhì)譜等技術(shù)對(duì)這些材料進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征。
　　(3)將所合成的新空穴傳輸材料在鈣鈦礦太陽能器件上使用，同等實(shí)驗(yàn)條件下，以經(jīng)典空穴傳輸材料spiro-OMeTAD為對(duì)比，電池最高器件效率分別為spiro-OMeTAD(18.29％)、Spiro-IF(18.46％