钙钛矿电池中基于砜基核心结构非掺杂空穴传输材料的构建及应用研究

Recently, perovskite solar cells attract much attention due to the merits of high efficiency and low cost. For highly efficient and stable perovskite solar cells, a series of dopant-free small molecule organic hole transport materials containing conjugated sulphone core building blocks, with tunable energy level, high charge carrier mobility and conductivity, good stability, will be developed to avoid the negative effects from the introduction of the additives and dopants and the complicated synthesis process of the traditional hole transport materials. A new strategy to design these hole transport materials is presented by molecular engineering to include different sulphone core building blocks, π conjugated and the position of hydrophobic alkyl chains. The relationship between molecular configuration and properties of hole transport materials will be studied systematically. The influence of molecular configuration on the photovoltaic properties and the stability of perovskite solar cells will be discussed in depth. The mechanism for the effect of sulphone moiety on the charge carrier transport process will also be proposed. The successful development of these hole transport materials will prospectively provide new choices in the aspect of hole transport materials for highly efficient and stable perovskite solar cells.

近年来钙钛矿太阳能电池因其创纪录的高效率、低廉的制造成本而备受瞩目。本项目以构建高效稳定的钙钛矿太阳能电池为导向，针对传统空穴传输材料合成步骤复杂，掺杂剂及添加剂对电池稳定性产生负面影响等问题，提出利用分子工程手段，以含砜基共轭基团为核心，导向性设计开发一系列能级可调、空穴迁移率及导电性高、稳定性好的非掺杂有机小分子空穴传输材料。通过对分子材料的核心结构、π桥基及烷基链引入位置等因素的调控，系统研究基于砜基核心结构空穴传输材料的分子构型与材料性质的构效关系；揭示空穴传输材料分子构型对材料光电性能的影响规律；阐明砜基结构单元在界面电荷迁移过程中的增效作用机制；进一步提出非掺杂空穴传输材料的设计新策略。此类材料的成功开发，有望在空穴传输材料方面为组装高效稳定的钙钛矿太阳能电池提供新的选择。

针对传统空穴传输材料合成工艺复杂，掺杂剂及添加剂引入带来的稳定性差等问题，本项目利用分子工程手段，设计开发了一系列有机小分子空穴传输材料，通过对材料分子的核心结构、外围基团、桥连基团及分子构型的精细调控，调节材料成膜状态下的堆积形式，有效提升材料的空穴抽取和传输效率，并系统研究了材料分子构型对材料性质及电池器件光电性能的影响规律。同时，还设计开发了多功能添加剂，大大简化了空穴传输层组份，在提升电池器件效率的同时，增强了器件的稳定性。本项目的顺利开展，在空穴传输层方面为高效稳定钙钛矿太阳能电池的构建提供了新的研究策略及理论依据。此外，在本项目的资助下，同时开展了电子传输层调控方面的工作，设计开发了一系列低成本、高效率的新型电子传输材料，反式钙钛矿太阳能电池获得了>21%的光电转换效率。研究工作的顺利开展，为钙钛矿太阳能电池在高效率、低成本空穴/电子传输材料方面提供了新的选择。