卟啉配合物掺杂的钙钛矿材料合成及光伏应用

The pyrrole protons in porphyrin molecules are easily substituted with metal ions to form metal porphyrin complexes with unique optoelectronic properties. These complexes have also attracted more attention in the photovoltaic field due to their wide spectral absorption. The un-stability of organic-inorganic hybrid perovskite inhibits the further industrialization of perovskite solar cells (PSCs). Studies revealed that replacing the structure A component in AMX3 type perovskite constructed two- or two- and three-dimensional mixed perovskite structure, thereby enhancing the material stability. However, such a modification led to the blue shift of their spectral, further decreasing the cell performance. Previous works by applicants had mainly focused on metal porphyrin-based self-assembly used in dye-sensitized solar cells and the fabrication of efficient and stable PSCs by chemical interface modification. Thus, this project intends to use the metal porphyrin complex instead of the A component in perovskite. Due to the enhanced absorption in the infrared region of the porphyrin complex, this replacement can not only improve the stability of PSCs, but also further broaden the spectral absorption. Finally, a new type of highly efficient and stable porphyrin complexes-based PSCs is developed, therefore promoting the industrialization developments of PSCs.

金属卟啉配合物是指卟啉分子中吡咯质子被金属离子取代而形成的具有独特光电性能的配合物，由于其具有较宽的光谱吸收，在光伏领域具有广泛的应用前景。新型有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池由于钙钛矿材料的不稳定性严重制约其产业化发展，研究发现通过部分替代三维AMX3型钙钛矿中A成分，形成二维或二维/三维混合结构，可以提高材料的稳定性。但替换后光谱发生蓝移，光伏性能下降。基于申请者之前的研究工作:卟啉配位自组装染料敏化太阳能电池以及化学界面修饰实现高效稳定钙钛矿太阳能电池研究，本课题拟利用卟啉配合物部分替代钙钛矿中A成分，形成二维/三维混合钙钛矿结构，提高电池稳定性；同时加强甚至拓宽钙钛矿材料在红外光区的光谱吸收，提高性能。最终试图解决钙钛矿电池性能和稳定性这两大科学难题，实现高效稳定的基于卟啉配合物钙钛矿电池组装，并有望推动其产业化发展。

金属卟啉配合物是指卟啉分子中吡咯质子被金属离子取代而形成的具有独特光电性能的配合物，由于其具有较宽的光谱吸收，在光伏领域具有广泛的应用前景。新型有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池由于钙钛矿材料的不稳定性严重制约其产业化发展。本项目利用具有宽光谱吸收的功能化的金属卟啉配合物作为修饰剂对钙钛矿材料进行修饰，实现基于金属卟啉配合物修饰的钙钛矿结构构筑，可以加强并拓宽钙钛矿太阳能电池器件的吸收光谱，进而提高相应电池器件的性能；同时稳定的金属卟啉配合物可以很好的稳定钙钛矿晶界结构，从而大幅提高相应钙钛矿太阳能电池器件的稳定性。本项目充分发挥金属卟啉优异的光电性能，最终实现具有自主知识产权的高效稳定钙钛矿电池制备技术。进一步通过电池器件中电荷分离、输运和复合机理的深入认识，建立有效调控金属卟啉配合物结构-钙钛矿结构-电池性能的方法体系。研究电池效率-组成结构的关系，积累经验，发展高效稳定钙钛矿电池制备技术；阐明卟啉配合物掺杂的钙钛矿新体系加强甚至拓宽的光谱吸收机理、以及电子传递与复合机理。揭示卟啉钙钛矿新体系的本质和规律，发展形成具有指导意义理论和实践体系。相关研究成果以项目负责人为通讯作者、该项目为第一标注发表高水平论文18篇，其中化学领域顶级期刊J. Am. Chem. Soc. 3篇、Angew. Chem. Int. Ed. 1篇，国内化学领域顶级期刊CCS Chem. 2篇、Sci. Bull. 1篇、Sci. China Chem. 3篇。申请专利8项，其中授权专利3项。建立了一支年轻富有活力的光伏研究团队，项目负责人于2021年顺利入选教育部长江奖励计划青年学者计划，培养研究生15名，其中博士研究生5名（1名顺利毕业，现就职于西北师范大学副教授；在读4人），硕士研究生10名（2名顺利毕业，一名企业工作，一名去往中山大学攻读博士学位；8名在读）。