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，與太陽能關系密切的太陽能電池備受關注。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，僅在短短七年時間內(nèi)就實現(xiàn)了光電轉換效率的飆升，曾被Science評為“2013年十大科學突破”之一，成為目前新型太陽能電池的研

2、究熱點，目前報道的最高效率已經(jīng)高達22％以上。
　　鈣鈦礦太陽能電池如此優(yōu)越的光電轉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，對空穴傳輸材料的研究熱點之一是有機小分子類，由于有機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、化學結構設計與調(diào)節(jié)可控、器件能量轉化效率高等諸

3、多優(yōu)點，從而開發(fā)此類新型空穴傳輸材料備受重視。通常，有機小分子空穴傳輸材料按分子結構大體可以分為三類:直鏈類、星狀類、螺環(huán)類。目前轉換效率最高的電池當屬使用螺環(huán)類的空穴傳輸材料，同時螺環(huán)類空穴傳輸材料因其獨特的剛性非平面結構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)，結合了鈣鈦礦吸光層的價帶能級的匹配原則、電池器件結構的穩(wěn)定性、材料的合成成本上把控，設計合成了幾

4、類新型的螺環(huán)類和咔唑類有機小分子空穴傳輸材料，并對它們進行了基本理化性質(zhì)的一些表征和器件上的使用，論文的主要研究內(nèi)容包括:
　　(1)從廉價易得的原料著手，設計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、關環(huán)反應、NBS溴代反應、Suzuki偶聯(lián)反應、Buckwald-Hartwig偶聯(lián)反應等，實現(xiàn)片段與中間核的C-N偶聯(lián)，從而合成新的目標分子。
　　(2)設計合成了兩類螺環(huán)核和兩類咔唑苯胺片段，進而

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)譜等技術對這些材料進行了結構表征。
　　(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，同等實驗條件下，以經(jīng)典空穴傳輸材料spiro-OMeTAD為對比，電池最高器件效率分別為spiro-OMeTAD(18.29％)、Spiro-IF(18.46％