螺芴型空穴传输材料稳定性及其器件光电特性研究.pdf

摘要
钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells, PSCs)是近几年兴起的采用有机-无机复合
金属卤化钙钛矿材料 MAPbX3(X =I, Br, Cl)为光敏剂的一类新型固态薄膜太阳能电池。
PSCs 由于制作工艺简单、成本低廉、效率高，展现出良好的应用前景，成为光伏领域
的研究热点。自 2009 年以来，基于钙钛矿材料制备的 PSCs 能量转换效率从 %快速
提高至 %。空穴传输层(Hole Transport Material, HTM)是 PSCs 的关键组成部分之一，
主要负责光生空穴的收集和传输。目前最常用的 HTM 是非晶螺芴型的 2,2',7,7'-四[N,N-
二(4-甲氧基苯基)***基]-9,9'-螺二芴（简称 Spiro-OMeTAD），Spiro-OMeTAD 分子中立
体正交的螺二芴结构使其具备优异的性能。传统的 Spiro-OMeTAD 结构复杂，繁琐的合
成纯化步骤会增大它的生产成本，不利于 PSCs 的商业化。因此开发结构简单、成本低、
高性能的新型 HTM 势在必行。此外，PSCs 若要实现商业化，必须保持长期稳定的工作。
功能层 HTM 的稳定性是影响 PSCs 稳定性的一个重要因素。本论文中对 PSCs 中常用空
穴传输材料 Spiro-OMeTAD 的稳定性进行研究，在考察其热稳定性的基础上重点研究水
分和氧气对其化学结构及其光电特性的影响，发现水、氧对 Spiro-OMeTAD 的性质影响
甚微。但是 Spiro-OMeTAD 的成本过高，因此在保留其核心结构的基础上，对它复杂的
结构进行改造，设计合成结构简化、成本低廉、性能优异的新型 HTM，并成功制备低
成本高性能的 PSCs。
首先，热重分析表明 Spiro-OMeTAD 的分解温度接近 400 oC，具有良好的热稳定性；
将 Spiro-OMeTAD 分别放置在高湿度、空气环境中处理，考察水分、氧气对其分子结构、
光电性质的影响，发现 Spiro-OMeTAD 分子结构、光吸收特性及电学特性也没有发生明
显变化，这表明该材料在空气中具有较好的化学稳定性。将不同条件下处理的
Spiro-OMeTAD 组装成 PSCs，器件光电转换效率(PCE)基本相当。
其次，实验中保留 Spiro-OMeTAD 核心螺芴结构，利用叔丁基对 Spiro-OMeTAD 外
围基团进行改造，合成结构简单的新型螺芴型 HTM (Spiro-027)。实验中，对 Spiro-027
进行热失重分析、CV、UV-vis、Tafel 等表征，分析发现 Spiro-027 具有良好的热稳定性，
并且表现出比 Spiro-OMeTAD 更高的空穴迁移率和导电性。将两种 HTMs 应用到 PSCs
中对比发现，基于 Spiro-027 制备的 PSCs 具有稍高的短路电流 JSC，最终电池的最高 PCE
为 %。结合理论计算结果，该工作证实简化 Spiro-OMeTAD 结构是有效可行的，并
为以后新型 HTMs 的开发增加了一个新的思路。

关键词：钙钛矿太阳能电池；空穴传输材料；稳定性；Spiro-027
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Study of the Stability and Photovoltaic Performance of Spiro-core Hole
Transport Materials in Photovoltaic devices