三苯胺类空穴传输材料在钙钛矿电池中的作用机制研究

This project is proposed to focus on action and mechanism of triphenylamine-based hole transporting materials (HTMs) in perovskite solar cell. Series of triphenylamine-based hole transporting materials with various dimension and configuration will be synthesized and characterized. The M-S interface modification property and charge carrier mobility of the TPA-based HTMs in perovskite solar cell will be evaluated. The influence of molecular structure on the aforementioned semi-conductive and thermal properties of HTMs will be investigated. Finally, the structure-property relationships of TPA-based HTMs will be revealed for more fundamental chemical aspects behind structural design and provide theoretical guaidline for fabrication of high performance devices.

本项目以三苯胺类HTM为研究对象，以构建该类材料在钙钛矿太阳电池中的基本构效关系为目标，以三苯胺HTM分子在钙钛矿电池中M-S界面调控和载流子传输行为的解析为主线，进行系统的实验和理论研究。设计合成多个系列以三苯胺为基本结构单元、具有不同维度和空间构型的小分子空穴传输材料；从分子结构的层面探索其在钙钛矿太阳电池的界面调控和载流子传输能力；阐述其玻璃化转变、冷结晶及熔融结晶等热力学相变过程；建立分子结构对其上诉性能的影响模式及其在半导体及热力学性质上的宏观表现，以期为新型高效稳定的HTM的设计及相关半导体器件的制备工艺奠定理论基础。

钙钛矿太阳能电池是一种新兴的全固态光伏器件，因其廉价高效等优点在近年来得到广泛关注和快速发展。空穴传输层作为重要的功能层，有利于构建金属电极-半导体(钙钛矿)(M-S)界面的欧姆接触，实现电荷的传输，提高电池性能。空穴传输材料的结构与电子特性影响电池的性能。空穴传输层的热稳定性及热诱导的结晶行为直接关系到器件的效率和寿命。因此，设计开发不同维度和空间结构的小分子空穴传输材料来研究其在电池中M-S界面调控、载流子传输及温度场下的结晶行为具有重要意义。本项目以三苯胺类空穴传输材料为研究对象，以构建该类材料在钙钛矿太阳电池中的基本构效关系为目标，以三苯胺HTM分子在钙钛矿电池中M-S界面调控和载流子传输行为的解析为主线，进行系统的实验和理论研究。设计合成了多个系列以三苯胺为基本结构单元、具有不同维度和空间构型的小分子空穴传输材料；研究了分子结构对HTM在钙钛矿太阳电池的界面调控和载流子传输能力规律；阐述了三苯胺类HTM的玻璃化转变、冷结晶及熔融结晶等热力学相变过程；建立了分子结构对其上诉性能的影响模式及其在半导体及热力学性质上的宏观表现。本项目完成了乙烯基三苯胺类、含噻吩基团的三苯胺类、三苯胺-酞菁类及星型三苯胺类共计4个系列19种新型三苯胺类空穴传输材料的设计、合成及在钙钛矿太阳能电池种的应用研究工作。上述研究成果为新型高效稳定的HTM的设计及钙钛矿太阳能电池的制备工艺奠定了理论基础。