哌嗪衍生物类空穴传输材料的合成及在PSCs中的应用

摘要

三苯胺类衍生物是当前钙钛矿太阳能电池领域中研究最为广泛的空穴传输材料。本文以哌嗪衍生物为中心环、通过 N原子桥接三苯胺基团，设计合成了一系列p-π共轭结构的新型空穴传输材料(QTPA系列和BPZTPA系列)，并利用核磁共振图谱(NMR)和质谱(MS)对6种目标化合物及中间体进行了结构表征。
　　对各化合物的光物理性质、分子能级结构、热性能和薄膜特性，以及本征空穴迁移率进行了探讨。结果表明：QTPA系列和BPZTPA系列化合物在THF溶液中的最大吸收波长分别为313 nm和292 nm，以最大吸收波长为激发波长，测得荧光光谱的发射波长分别处于404~419 nm和436~460 nm；在固体膜中，它们的吸收峰分别发生了6~14 nm的红移和宽泛。此类化合物的分解温度在370~458℃之间，玻璃化转变温度在73~147℃之间，展现了较好的热稳定性。6个化合物的HOMO能级在-5.35~-5.20 eV之间，与CH3NH3PbI3的价带和金电极的功函非常匹配，有利于界面光生载流子的分离和传输；并且它们较高的LUMO能级(-2.51~-2.00 eV)还可以起到阻挡电子的作用，从而减少钙钛矿层电子和空穴传输层空穴的复合。它们的本征空穴迁移率在10-4~10-3 cm2/(V s)之间，具有较好的传输性能。化合物在薄膜态均呈稳定的无定形态，具有良好的成膜性。
　　将 QTPA系列和 BPZTPA系列化合物作为空穴传输材料应用于钙钛矿太阳能电池中，通过制备工艺优化，得到最优的空穴传输材料浓度为10 mg/mL；并且6个化合物制备的器件均得到了超过8％的光电转换效率(PCE)。其中，非掺杂MeO-BPZTPA的电池效率最高，为10.36%，开路电压(Voc)为917.1 mV，短路电流(Jsc)为16.89 mA/cm2，填充因子(FF)为0.669。这一结果表明p-π共轭结构的空穴传输材料也可以获得高性能的电池，丰富了钙钛矿电池领域中的空穴传输材料的种类，具有较好的应用前景。

目录

声明

第一章 文献综述

1.1 钙钛矿太阳能电池的发展简介

1.2 钙钛矿材料简介

1.3 钙钛矿太阳能电池的结构与工作原理

1.4 空穴传输材料在钙钛矿太阳能电池中的应用

1.5 论文设计思路及研究内容

第二章 哌嗪衍生物类空穴传输材料的合成及表征

2.1 前言

2.2 实验试剂与仪器

2.3 合成与表征

2.4 Buchwald-Hartwig反应的合成工艺优化

2.5 本章小结

第三章 哌嗪衍生物类空穴传输材料的性能研究

3.1 主要原料与试剂

3.2 主要实验仪器

3.3 密度泛函理论计算

3.4 光物理性质

3.5 热性能

3.6 能级测试

3.7 本征空穴迁移率测试

3.8 薄膜的形态研究

3.9 本章小结

第四章 哌嗪衍生物类空穴传输材料在钙钛矿电池中的应用

4.1 钙钛矿太阳能电池的制备

4.2 钙钛矿太阳能电池的光伏性能

4.3 交流阻抗测试

4.4 电池制备工艺优化

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

附录

致谢