第一作者：大連理工大學(xué)博士研究生蔣曉慶和沈陽化工大學(xué)王東平副教授

通訊作者：大連理工大學(xué)孫立成教授、于澤副研究員和上海交通大學(xué)劉烽教授?

期刊：Advanced Energy Materials

計(jì)算軟件：Gaussian 09

文章：Molecular Engineering of Copper Phthalocyanines: A Strategy in Developing Dopant-Free Hole-Transporting Materials for Efficient and Ambient-Stable Perovskite Solar Cells

DOI：10.1002/aenm.201803287

有機(jī)–無機(jī)雜化鈣鈦礦太陽能電池作為新型高效率、低成本太陽能電池在世界范圍內(nèi)引起廣泛關(guān)注。短短幾年時間內(nèi)，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過23%，表現(xiàn)出巨大的商業(yè)化前景。進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本和提高器件的穩(wěn)定性是鈣鈦礦太陽能電池大規(guī)模應(yīng)用亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。近日，大連理工大學(xué)人工光合作用研究所在鈣鈦礦太陽能電池空穴傳輸材料領(lǐng)域取得了重要研究進(jìn)展。

空穴傳輸層是鈣鈦礦太陽能電池中的關(guān)鍵組成部分，對電池的效率、穩(wěn)定性以及生產(chǎn)成本起到至關(guān)重要的決定作用。酞菁銅是一類合成簡便、價格低廉、具有優(yōu)異穩(wěn)定性的p-型有機(jī)半導(dǎo)體材料。

近年來，酞菁銅作為空穴傳輸材料在鈣鈦礦太陽能電池中的研究得到了極大關(guān)注。但是，目前采用酞菁銅空穴傳輸材料的高效率的鈣鈦礦太陽能電池仍然需要摻雜劑來提高電導(dǎo)率，因此大大降低了器件的空氣穩(wěn)定性。

孫立成院士團(tuán)隊(duì)于澤副研究員在前期工作的基礎(chǔ)上（ChemSusChem2017, 10, 1838–1845；J. Mater. Chem. A 2017, 5, 17862–17866），進(jìn)一步通過分子修飾酞菁銅的結(jié)構(gòu)，制備了酞菁銅衍生物CuPc-Bu和CuPc-OBu（如圖）。

隨后，研究團(tuán)隊(duì)使用Gaussian 09對酞菁銅衍生物CuPc-Bu和CuPc-OBu對的重組能了DFT計(jì)算，預(yù)測其具有很大的潛力作為鈣鈦礦太陽能電池空穴傳輸材料。

雖然這兩個酞菁銅衍生物在結(jié)構(gòu)上非常相似，但它們的化學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出很大的差異。CuPc-OBu的空穴遷移率為4.30 × 10^?4?cm²?V^?1?S^?1，大大優(yōu)于CuPc-Bu(1.23 × 10^?4?cm²?V^?1?S^?1)。

通過掠入射廣角X射線散射（GIWAXS）測試發(fā)現(xiàn)，CuPc-OBu具有較好的結(jié)晶性和較強(qiáng)的π-π相互作用。相比之下，CuPc-Bu呈現(xiàn)出edge-on的堆積方式，因此不利于垂直方向載流子的傳輸，導(dǎo)致空穴遷移率比較低。

采用非摻雜的CuPu-OBu作為空穴傳輸材料的鈣鈦礦太陽能電池最優(yōu)取得了17.6%的光電轉(zhuǎn)換效率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CuPc-Bu（14.3%）。

同時，CuPc-OBu表現(xiàn)出優(yōu)異的疏水性能（接觸角，106.5°），因此可以有效地阻止水分子對鈣鈦礦的破壞。和三維/二維鈣鈦礦吸光層相結(jié)合，采用CuPc-OBu的鈣鈦礦太陽能電池表現(xiàn)出良好的長時間空氣穩(wěn)定性。

未封裝器件在室溫85%高濕度的條件下運(yùn)行120小時，仍然保持84%的初始效率。同等條件下，采用摻雜添加劑的Spiro-OMeTAD的器件效率快速衰減，僅僅維持了21%的初始效率。該工作為設(shè)計(jì)低成本、高性能以及高穩(wěn)定性的鈣鈦礦太陽能電池空穴傳輸材料提供了新的思路。