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物理化学学报  2016, Vol. 32 Issue (6): 1347-1370    DOI: 10.3866/PKU.WHXB201603143
综述     
有机空穴传输材料在钙钛矿太阳电池中的应用
刘雪朋1,2,孔凡太1,*(),陈汪超1,2,于婷1,2,郭福领1,陈健1,戴松元1,3,*()
1 中国科学院合肥物质科学研究院应用技术研究所,新型薄膜太阳电池重点实验室,合肥230031
2 中国科学技术大学,合肥230026
3 华北电力大学,新型薄膜太阳电池北京市重点实验室,北京102206
Application of Organic Hole-Transporting Materials in Perovskite Solar Cells
Xue-Peng LIU1,2,Fan-Tai KONG1,*(),Wang-Chao CHEN1,2,Ting YU1,2,Fu-Ling GUO1,Jian CHEN1,Song-Yuan DAI1,3,*()
1 Key Laboratory of Novel Thin Film Solar Cells, Institute of Applied Technology, Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, P. R. China
2 University of Science and Technology of China, Hefei 230026, P. R. China
3 Beijing Key Laboratory of Novel Thin Film Solar Cells, North China Electric Power University, Beijing 102206, P. R. China
 全文: PDF(29887 KB)   HTML 输出: BibTeX | EndNote (RIS) |
摘要:

有机-无机杂化钙钛矿太阳电池(PSCs)由于其诸多优点得到广泛关注,而有机固态空穴传输材料(HTMs)代替液体电解质使其得到飞速的发展,提升了电池的效率和稳定性,已经成为PSCs的重要组成部分。目前应用于PSCs的空穴传输材料分为有机空穴传输材料和无机空穴传输材料两大类。无机空穴传输材料的可选择范围较窄,对应器件的光电转换效率相对较低。开发各类能级匹配、空穴迁移率高的有机空穴传输材料是提高器件效率和稳定性的有效手段,成为相关领域的研究热点。本文依据相对分子质量的大小,将应用于PSCs中的有机空穴传输材料分为小分子类和聚合物类空穴传输材料,详细评述了有机空穴传输材料分子结构对PSCs光电转换效率、填充因子、开路电压、短路电流和稳定性的影响,并对其能级、空穴迁移率的高低、添加剂的使用等进行了讨论。最后详细论述了有机空穴传输材料未来的研究重点和发展趋势。

关键词: 钙钛矿太阳电池有机空穴传输材料三苯胺小分子聚合物    
Abstract:

Organic-inorganic halide perovskite solar cells (PSCs) have attracted increasing attention because of their desirable properties.A key advance has been the replacement of the liquid electrolytes by solid-state hole-transporting materials (HTMs), which not only improves the power conversion efficiency (PCE) but also enhances the cell stability.HTMs are now an integral part of PSCs.Both organic and inorganic HTMs have found application in PSCs.However, inorganic HTMs are hampered by the limited choice of materials and the relatively low PCE of the solar cells based on them.The development of new organic HTMs is therefore necessary to improve the PCE and stability of PSCs.This has become a focus of various research fields, and new HTMs continue to emerge in large numbers.In this paper, we give an overview of the use of organic HTMs in PSCs. According to their molecular weight, organic HTMs are classified as either molecular or polymeric.We discuss in detail the effects of the functional groups and structures of organic HTMs on the PCE, fill factor, open circuit voltage, and stability of the resulting PSCs, as developed in recent years.The paper also covers the highest occupied molecular orbitals, the hole mobility, and the use of additives in HTMs.Finally, forecasts of the future development of organic HTMs are reviewed.

Key words: Perovskite solar cell    Organic hole transporting material    Triphenylamine    Small-molecule    Polymer
收稿日期: 2015-12-09 出版日期: 2016-03-14
中图分类号:  O646  
基金资助: 国家高技术研究发展计划(863)(2015AA050602);安徽省自然科学基金(1508085SMF224)
通讯作者: 孔凡太,戴松元     E-mail: kongfantai@163.com;sydai@ncepu.edu.cn
作者简介: 刘雪朋,中国科学院合肥物质科学研究院,博士研究生,目前主要从事有机空穴传输材料的合成及其在钙钛矿太阳电池中的应用研究|孔凡太,中国科学院合肥物质科学研究院,副研究员,现主要从事钙钛矿太阳电池和染料敏化太阳电池中新型钌系及有机染料研究、共吸附剂界面修饰等方面的研究工作|陈汪超,中国科学院合肥物质科学研究院,博士研究生,目前主要从事染料敏化太阳电池中新型钌系敏化剂及钙钛矿太阳电池中空穴传输材料的研究|于婷,中国科学院合肥物质科学研究院,硕士研究生,目前从事钙钛矿太阳电池中聚合物空穴传输材料的设计合成|郭福领,中国科学院合肥物质科学研究院,博士,本硕博就读于华东理工大学,主要研究方向:空穴传输材料及料敏化太阳电池中有机染料的合成|陈健,中国科学院合肥物质科学研究院,研究员,主要从事太阳级硅料铸锭,切割,制绒、Al-Si合金法提纯太阳级硅料技术和理论、金属材料制备和加工等|戴松元,华北电力大学可再生能源学院,教授,可再生能源学院院长,从事于新型薄膜太阳电池的研究
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刘雪朋
孔凡太
陈汪超
于婷
郭福领
陈健
戴松元

引用本文:

刘雪朋,孔凡太,陈汪超,于婷,郭福领,陈健,戴松元. 有机空穴传输材料在钙钛矿太阳电池中的应用[J]. 物理化学学报, 2016, 32(6): 1347-1370.

Xue-Peng LIU,Fan-Tai KONG,Wang-Chao CHEN,Ting YU,Fu-Ling GUO,Jian CHEN,Song-Yuan DAI. Application of Organic Hole-Transporting Materials in Perovskite Solar Cells. Acta Phys. -Chim. Sin., 2016, 32(6): 1347-1370.

链接本文:

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201603143        http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2016/V32/I6/1347

图1  钙钛矿半导体晶体结构
图2  钙钛矿太阳电池结构示意图
图3  n-i-p型钙钛矿太阳电池中能级结构及电子和空穴传输(HTM)方向示意图
No.Device structure/TypeE(HOMO)/eVVoc/VJsc/(mA ? cm-2)FF/%PCE/%AdditiveRef.
1M/MAPbI3-5.220.8917629.7LiTFSI, TBP14
1P/MAPbI3-xClx-1.1322.87519.3LiTFSI, TBP, FK209103
1M/MAPbI3-1.0723.87619.7LiTFSI, TBP30
2M/MAPbI3-5.221.0221.27816.7LiTFSI, TBP39
3M/MAPbI3-5.311.0121.16513.9LiTFSI, TBP39
66P/MAPbI3-xClx5.0(IP)0.8614.9698.7F6-TCNNQ40
4P/MAPbI3-xClx5.1(IP)1.03166610.9F6-TCNNQ40
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7P/MAPbI3-xClx5.6(IP)0.840.72130.1F6-TCNNQ40
8M/MAPbI3-4.920.9916.56711.0NDP941
9M/MAPbI3-4.921.0521.87216.6LiTFSI, TBP, FK10241
10M/MAPbI3-4.931.0515.47010.8LiTFSI, TBP, FK10241
11M/MAPbI3-5.150.1017.67312.2LiTFSI, TBP, FK10242
12M/MAPbI3-5.000.9719.37213.4FK20943
13M/MAPbI3-5.291.0013.5638.4LiTFSI, TBP, FK10244
14M/MAPbI3-5.351.0317.26912.2LiTFSI, TBP, FK10244
15M/MAPbI3-5.330.9920.36212.4LiTFSI, TBP, FK10244
16M/MAPbI3-5.29(PES)1.08137811.0LiTFSI, TBP, FK26945
17M/MAPbI3-5.311.0819.87215.4LiTFSI, TBP, FK10246
18M/MAPbI3-5.291.07207115.2LiTFSI, TBP, FK10246
19M/MAPbI3-5.140.9721.06713.6LiTFSI, TBP, FK20947
20M/MAPbI3-5.130.9520.96212.3LiTFSI, TBP, FK20947
21M/MAPbI3-5.150.9218.47011.9LiTFSI, TBP48
22M/MAPbI3-5.290.9917.36310.8LiTFSI, TBP48
23M/MAPbI3-5.211.0020.76914.2LiTFSI, TBP49
24M/MAPbI3-5.250.9619.46311.8LiTFSI, TBP49
25M/MAPbI3-5.040.9220.76612.5-50
26M/MAPbI3-5.110.9319.16110.9-50
27M/MAPbI3-5.231.0417.96812.8-51
28M/MAPbI3-5.150.888.03453.18-52
29M/MAPbI3-5.080.912.14480.93-52
30M/MAPbI3-5.25*0.9619.87013.3LiTFSI, TBP, FK20953
31M/MAPbI3-5.24*1.0220.37114.8LiTFSI, TBP, FK20953
32M/MAPbI3-5.23*0.9920.46913.9LiTFSI, TBP, FK20953
33M/MAPbI3-5.22*0.9418.66311.0LiTFSI, TBP, FK20954
34M/MAPbI3-5.25*0.9818.66712.6LiTFSI, TBP, FK20954
35M/MAPbI3-5.21*1.0018.66713.0LiTFSI, TBP, FK20954
36M/MAPbI3-5.330.9721.36713.8LiTFSI, TBP55
37M/MAPbI3-5.220.9521.17114.2LiTFSI, TBP55
38M/MAPbI3-5.340.9521.26914.0LiTFSI, TBP55
39M/MAPbI3-5.191.0318.26111.4LiTFSI, TBP57
40M/MAPbI3-5.020.9221.26713.1LiTFSI, TBP57
40M/MAPbI3-5.320.8917.27211.0LiTFSI, TBP56
41M/MAPbI3-5.271.0921.47316.9LiTFSI, TBP, FK20958
42M/MAPbI3-5.331.0422.07817.8LiTFSI, TBP59
43M/MAPbI3-5.161.0519.16513.2LiTFSI, TBP, FK10260
44P/MAPbI3-5.280.9518.96111.0LiTFSI, TBP, FK10261
45M/MAPbI3-5.181.1019.66113.1LiTFSI, TBP, FK10262
46M/MAPbI3-5.170.9720.35510.9LiTFSI, TBP63
47M/MAPbl3-5.081.0021.86614.4LiTFSI, TBP63
48M/MAPbI3-5.000.9719.16612.3-64
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51M/MAPbI3-4.900.9317.37011.2-64
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53M/MAPbI3-5.230.9417.96911.6-65
54M/MAPbI3-5.310.9315.4639.0-66
55M/MAPbI3-5.280.9318.47012.0-66
56M/MAPbI3-5.330.9419.37213.3-67
57M/MAPbI3-5.300.9315.87010.3-67
58M/MAPbI3-xClx-5.430.7617.1587.6LiTFSI, TBP68
59M/MAPbI3-xClx-5.490.8816.8669.8LiTFSI, TBP68
60M/MAPbI3-5.020.9616.4568.8H-TFSI, Et4N-TFSI69
61M/MAPbI3-4.400.8718.8508.0H-TFSI, Et4N-TFSI69
62M/MAPbI3-5.160.9616.87211.7LiTFSI, TBP, FK20970
63M/MAPbI3-5.170.9719.47213.5LiTFSI, TBP, FK20970
64M/MAPbI3-5.380.9213.1597.1HAT-CN71
65M/MAPbI3-1.1218.16813.7-72
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69M/MAPbI3-5.330.9516.87211.5-73
71M/MAPbI3-5.250.9917.37112.3LiTFSI74
72M/MAPbI3-5.260.9916.46510.5-75
73M/MAPbI3-5.100.9015.2689.5-75
74M/MAPbI3-5.200.9516.67211.4-76
75M/MAPbI3-5.280.9016.37010.3-76
76P/MAPbI3-5.291.0219.16813.2-77
77P/MAPbI3-xClx-5.4(PES)0.9515.3608.8PDMS78
78P/MAPbI3-xClx-5.100.9720.77414.9-79
79M/MAPbI3-xClx-5.201.0521.27316.2-80
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82M/MAPbI3-5.080.9621.27214.7LiTFSI, TBP81
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88M/MAPbI3-5.410.8910.8343.3LiTFSI, TBP, FK20989
89M/MAPbI3-5.250.9520.46412.3LiTFSI, TBP, FK20989
90M/MAPbI3-5.110.8920.26912.4LiTFSI, TBP, FK20989
91M/MAPbI3-5.050.8619.96411.0-90
92M/MAPbI3-5.400.9120.86011.5LiTFSI, TBP91
93M/MAPbI3-5.420.9517.56911.4-92
95M/MAPbI3-5.170.9414.4648.6-94
96M/MAPbI3-5.410.9819.25810.8LiTFSI94
97M/MAPbI3-5.290.8621.16211.3LiTFSI, TBP95
98M/MAPbI3-5.300.9817.96912.0MY11,FK20996
99M/MAPbI3-5.070.9416.56710.4LiTFSI, TBP97
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101M/MAPbBr3-6.101.301.1400.6-99
102M/MAPbBr3-6.301.237.6615.6TBP, LiTFSI101
103M/MAPbBr3-5.001.245.8614.3-102
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105M/MAPbBr3-5.4(PES)1.366.3706.0LiTFSI, TBP104
106M/MAPbBr3-5.5(PES)1.406.1796.7LiTFSI, TBP104
107M/MAPbI3-5.120.9717.67012.0LiTFSI, TBP105
108P/MAPbI3-5.401.1022.07015.3-106
109M/MAPbI3-5.300.9617.56511.0LiTFSI, TBP107
110M/MAPbI3-5.100.9113.8648.0LiTFSI, TBP107
111M/MAPbI3-5.230.7814.5657.3LiTFSI, TBP, LiI108
111M/MAPbI3-5.270.8818.0406.3LiTFSI, TBP109
112P/MAPbI3-5.200.9819.16612.4LiTFSI, D-TBP110
113P/MAPbI3-5.180.9920.37715.4-111
114P/MAPbI3-5.201.1020.97918.1-112
115M/MAPbI3-4.801.0620.26814.5LiTFSI, TBP113
116M/MAPbBr3-5.401.164.47593.0-114
116M/MAPbI3-5.400.8313.9485.6-114
117M/MAPbI3-5.400.8614.4759.2LiTFSI, TBP115
118M/MAPbI3-5.300.9820.56112.3LiTFSI, TBP116
119M/MAPbI3-5.250.8314.4627.4-117
120M/MAPbI3-5.220.8915.4648.7-117
121P/MAPbI3-5.120.8717.76510.0-118
122M/MAPbI3-xClx-5.200.9420.76512.7LiTFSI, TBP119
123M/MAPbI3-0.8412.0666.6-120
124M/MAPbI3-xClx-5.110.9723.96114.1LiTFSI, TBP121
125M/MAPbI3-5.300.7710.3675.3LiTFSI, TBP122
126M/MAPbI3-5.450.9210.5444.2LiTFSI, TBP122
127M/MAPbI3-xClx-5.261.0721.17316.6-123
表1  不同空穴传输材料的能级及制备成电池的性能参数
图4  含三苯胺结构的螺旋小分子空穴传输材料
图5  空穴传输材料中添加剂的分子结构图
图6  含三苯胺结构的星形空穴传输材料
图7  含三苯胺结构的线形空穴传输材料
图8  含噻吩结构的小分子空穴传输材料
图9  酞菁类空穴传输材料
图10  其他类型小分子的HTMs
图11  含有苯胺结构的聚合物空穴传输材料
图12  含噻吩结构的聚合物空穴传输材料
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