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南科大许宗祥课题组连发三篇论文,第一作者均为我校本科生

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最近,世界能源领域的顶级期刊《Advanced Energy Materials》(影响因子24.884)和《Solar RRL》在线发表了三篇论文,报道了该部副教授许宗祥对钙钛矿太阳能电池空穴传输材料的最新研究。南方科技大学化学系。结果。这三篇论文的第一作者是徐启祥2016年初中本科生胡其珍。

今年是钙钛矿太阳能电池(PSC)诞生的第十个年头。在过去的十年中,钙钛矿太阳能电池取得了显着的增长,器件效率从最初的3.8%迅速增加到24.2%。然而,现有的商用空穴传输材料spiro-OMeTAD合成周期长,产率低,成本高,掺杂掺杂低,限制了基于这些分子的PSCs的产业化,材料是光电转换效率PCE。作为空穴传输层的PSC基本上达到上限。

有机空穴传输层材料的引入有利于提高钙钛矿太阳能电池的稳定性,效率和寿命。设计和合成新的有机分子,可用作空穴传输材料,适用于PSC,有望进一步提高电池效率和寿命,优化电池结构,降低成本,实现大规模生产和产业化,解决能源问题短缺和环境问题。重要的科学意义。

近年来,徐宗祥的研究小组一直专注于基于酞菁的有机半导体分子设计和光电器件应用研究。该金属酞菁材料合成和纯化简单,分子调节性强,稳定性高,是一种优良的半导体材料,广泛应用于各种有机光电器件中。

具有三苯胺酞菁作为空穴传输层的高性能钙钛矿太阳能电池

研究组在《Advanced Energy Materials》发表的论文题目是《基于芳胺取代的铜酞菁作为高效率高稳定性的钙钛矿太阳能电池》,被选为封底文章。

另外,传统的空穴传输材料是由Spiro-OMeTAD表示的芳香胺化合物,因为它具有结构多样性,易于调节前线轨道能级,良好的成膜能力,以及高的热稳定性和形态稳定性。它在许多技术领域也受到了极大的关注。

氮原子氧化并有效地传输正电荷的能力使芳胺基团成为强电子供体。然而,由于芳胺的非平面构象和核心氮与芳基之间的变形,芳胺化合物主要是无定形的。这降低了芳胺化合物的电荷载流子迁移率,并导致需要p型掺杂芳胺化合物,这又进一步降低了器件的稳定性。此外,芳基胺的假三维共轭结构及其在空穴传输材料中的螺旋桨构象防止了钙钛矿和空穴传输材料之间的紧密接触,从而降低了钙钛矿的电荷提取率。而且,其合成复杂且昂贵。

件下实现高载流子迁移率。

该材料是非掺杂的,并应用于钙钛矿太阳能电池,实现了19.7%的转换效率(目前预防的掺杂酞菁空穴材料的最高记录),并且在960小时内仍保持92%。初始效率和稳定性远高于Spiro-OMeTAD,成本比螺-OMeTAD低近20倍,使材料有可能进一步推进钙钛矿太阳能电池的产业化。

Nankeda是该工作的第一个沟通单位。徐宗祥的研究助理冯伟和胡其珍是共同的第一作者。其中,冯伟负责材料的合成和表征。胡启珍负责钙钛矿太阳能电池的制备及相关的载流子传输机制。 Michele Muccini教授和意大利国家科学院的徐宗祥副教授是共同作者。

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本文所用芳香胺改性酞菁材料的分子动力学模拟及器件性能

不对称酞菁在钙钛矿太阳电池上的应用

徐宗祥研究小组在《Solar RRL》发表的第一篇论文是《基于无异构四甲基取代的锌酞菁作为免掺杂空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池》。徐宗祥的研究助理董磊,胡启贞和博士后Ehsan Rezaee是共同作者,徐宗祥是唯一的通讯作者。

以前,研究组制备的酞菁材料中有四种异构体,异构体的存在降低了酞菁膜的晶体质量,导致器件性能不均匀,难以进一步提高效率,这限制了钙钛矿太阳能电池的进一步开发和应用。

为此,该组从分子设计的角度获得了不含异构体的四丁基取代的酞菁锌,并通过NMR光谱证实了锌酞菁的相纯度。该研究小组进一步将酞菁材料应用于钙钛矿电池器件,发现其性能更均匀,与非均相酞菁材料的平均效率相比提高了21%。通过水接触角测试和器件寿命测试,研究小组发现,不含异相酞菁材料的钙钛矿电池器件作为空穴传输层,可在750小时内保持90%以上的初始效率。存在异质酞菁材料,并且其效率得到显着改善。该研究为高性能酞菁基空穴传输材料的设计和合成提供了新思路。

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本文中使用的非异构酞菁材料和器件特性

酞菁在钙钛矿太阳能电池上的“正面”排列

徐宗祥研究小组在《Solar RRL》发表的另一篇论文是《具备面面堆积构型的锌酞菁分子设计及钙钛矿非掺杂空穴传输层应用》。胡启贞是第一作者,Ehsan Rezaee和董磊是共同的第一作者,徐宗祥是唯一的通讯员。

此前,徐宗祥团队报道了一系列八甲基改性金属酞菁(Nano Energy 2017,31,322-330; J.Mater.Chem.A,2017,5,24416-24424; Organic Electronics 2018,56,276-283) 件下,在钙钛矿层上形成面对面分子构型,大大提高载流子迁移速率,并提高酞菁的光电转换效率。然而,这种酞菁分子具有较差的有机溶解度,并且只能通过蒸发工艺制造,并且高能耗问题影响材料的进一步商业应用。

结合早期可溶性酞菁的分子设计思路,研究组从分子设计的角度出发,通过六甲基改性酞菁环扩展合成,引入正丁基配体,得到6甲基-1丁基改性对称酞菁锌实现了酞菁膜的液相制备,同时确保酞菁能够以“正面”取向完全沉积在钙钛矿层上。与通过相同方法合成的单丁基锌酞菁的“边缘开启”排列相比,酞菁光电转换效率的“面对面”排列增加了70%至17.41%,并且在非1400小时内也非常高 - 包装测试。稳定。该研究为酞菁基钙钛矿空穴传输材料的分子设计提供了新思路。预计酞菁中心金属的进一步替代将实现更高的光电转换效率。

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表面堆叠酞菁材料和设备性能用于本文

胡其琛说,他在研究小组已经研究了这个课题已经三年了。凭借前两年丰富的积累,他拥有今天的“厚度和薄度”。该团队在研究过程中花了很长时间来克服材料合成中遇到的困难。因此,研究了以往文献中的许多预备方法,并尝试了许多新方法。换句话说,制造的器件获得高。效力。

三篇论文的相关研究工作得到了深圳市科技创新委员会基础研究学科布局项目和深圳市发展和改革委员会柔性太阳能电池研发工程研究中心的支持。

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