低成本、高性能钙钛矿电池有机小分子空穴传输材料

钙钛矿太阳能电池由于其高能量转换效率(最高报道认证效率为25.2%)、低成本和易于制造等特点,成为下一代光伏技术的关注焦点.虽然钙钛矿材料本身可以传导空穴,但其效率比较低.空穴传输材料的使用成为有效提取电荷和提高钙钛矿型太阳能电池效率的关键因素.总结了近期报道的低成本、高性能有机小分子空穴传输材料(效率大于19%),从螺环结构、噻吩衍生物以及其它结构进行介绍,并从合成策略和化学修饰等角度评估结构-性能的构效关系及其对器件效率和稳定性的影响,最后对有机小分子空穴传输材料的发展趋势进行了展望.     

一种非线性结构空穴传输材料的合成及其光伏性能研究

以三苯胺为电子给体单元,4-叔丁基-甲氧基苯环为母核,设计合成了1种非线性“Y型”结构的空穴传输材料（2TPA-ph-tbyl）。光电化学测试结果表明该材料与钙钛矿材料能级匹配。单晶X射线衍射结果表明,该分子通过端位基团三苯胺形成分子间C-H/π相互作用。这种较强的侧链堆积作用使2TPA-ph-tbyl获得了3.13× 10-5 cm2 V-1 s-1的空穴迁移率,是商用空穴传输材料PEDOT：PSS的1.5倍。将其制备成倒置结构钙钛矿太阳能电池,开路电压达到1000 mV、短路电流密度为21.53 mA?cm-2,填充因子为0.71,其光电转换效率达到15.2%,高于PEDOT：PSS（13.7%）。稳态光致发光和阻抗测试表明,2TPA-ph-tbyl可以促进钙钛矿-空穴传输材料界面电荷传输,降低界面电荷复合,从而提高电池的开路电压和短路电流。上述结果表明,具有非线性结构的空穴传输材料可以通过增强分子间的侧链堆积效应,提高材料的空穴迁移率,进而提高电池的光电转换效率。     

碳量子点纳米材料在铅卤钙钛矿太阳能电池中的应用研究进展

碳量子点（CQDs）是一类粒径较小,光学性能显著,且电荷传输性能优异的类半导体纳米材料,在钙钛矿太阳能电池的性能调控和改善中得到广泛的应用。从CQDs纳米材料的合成、性能及应用出发,综述了CQDs纳米材料在钙钛矿太阳能光电器件中电子传输层、钙钛矿光吸收层和空穴传输层等方面的应用进展,并展望了该类材料调控钙钛矿太阳能器件性能的发展趋势。     

两亲性季铵盐对钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的影响

将廉价易得的两亲性季铵盐十六烷基三甲基溴化铵（CTMAB）加入到钙钛矿前驱体溶液中，通过调节添加量研究了CTMAB对钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的影响.结果表明，加入CTMAB后制备的钙钛矿薄膜更加致密均匀，表面缺陷更少，钙钛矿晶体结晶性得到显著提高，从而提高了电池的光电转换效率及电池稳定性；含有CTMAB的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率（PCE）为18.03%，明显高于未添加CTMAB的电池效率（17.05%）；含有CTMAB的电池稳定性有较大的提高，在一定湿度环境中保存40 d后效率仍达初始效率的95%，而未添加CTMAB的器件效率只有初始效率的70%.     

基于吡嗪空穴传输层的合成及在p-i-n型钙钛矿太阳能电池中的应用

钙钛矿太阳能电池由于具有高的光电转换效率,简单的溶液加工工艺,较低的成本等优势因而拥有广阔的应用前景。有机小分子空穴传输层材料在钙钛矿太阳能电池中扮演着极其重要的角色。在本工作中,我们设计和合成了基于吡嗪为分子中心核,三苯胺为分枝的X型空穴传输层材料PT-TPA。与Si-OMeTPA对比,吡嗪的引入不仅不会影响其结晶性,并且能够改善其电荷转移特性和分子中心共平面性,从而显著提升了PT-TPA的空穴迁移率。在非掺杂的情况之下,基于PT-TPA空穴传输层的p-i-n型钙钛矿太阳能电池展现出17.52%的光电转换效率,与相同条件下基于Si-OMeTPA空穴传输层的器件相比,效率提高了近15%。     

全固态介观太阳能电池:从染料敏化到钙钛矿

介观太阳能电池(Mesoscopic Solar Cells)作为新一代太阳能电池的突出代表, 具有原材料来源丰富, 制备工艺简单, 光电转换效率高等优点, 从而具有广阔的应用前景. 本工作简要评述了全固态介观太阳能电池从染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells)发展到钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells)过程中新材料、新技术和新概念的研究进展. 1998年, Grätzel课题组首次将固态有机空穴传输材料spiro-OMeTAD应用到染料敏化太阳能电池中, 制备出全固态染料敏化太阳能电池, 虽然仅获得了0.74%的光电转换效率, 但是却使得全固态染料敏化太阳能电池迅速发展成为介观太阳能电池的重要研究方向. 2012年, Park与Grätzel课题组合作, 使用钙钛矿型吸光材料(CH₃NH₃)PbI₃作为敏化剂, spiro-OMeTAD作为空穴收集层, 制备出光电转换效率达到9.7%的全固态介观太阳能电池, 又被称为钙钛矿太阳能电池. 自此, 基于钙钛矿材料的介观太阳能电池迅速成为太阳能电池领域的研究热点. 目前, 钙钛矿太阳能电池的最高公证效率已经达到20.1%. 钙钛矿太阳能电池作为介观太阳能电池商业化道路上里程碑式的突破, 在材料开发、界面优化以及器件稳定性方面的研究仍充满挑战, 也期待新的突破.     

轮烷结构优化聚合物太阳能电池光伏性能

聚合度高低会影响聚合物太阳能电池(PSC)活性层的共混微观结构,导致其器件性能存在较大差异,一般在聚合度较低时,PSC的能量转化效率(PCE)通常因电荷传输受到影响而明显降低.为解决这一问题,本工作将环状化合物冠醚与聚合物以非共价键的方式组成轮烷结构,合成了四种具有不同冠醚含量且聚合度较低的给体材料PM6-C1、PM6-C2、PM6-C3和PM6-C4.在保留聚合物本身优异光电性质的同时,适量轮烷结构带来的非共价相互作用使活性层形成合适的纤维状网络结构和良好的相分离尺度,增强了器件的电荷提取效率,减少了陷阱/双分子复合,从而导致高的电荷传输与收集效率.基于PM6-C2的器件最终实现了16.23%的PCE,高于基于PM6-L的器件(15.33%),表明轮烷结构有助于改善聚合物太阳能电池活性层形貌,在PSC材料研究中具有极大的潜力.     

反式p-i-n结构钙钛矿太阳能电池

近年来,有机无机杂化金属卤化物钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从最初3.8%提升到现在的21.0%.快速的效率提升主要得益于钙钛矿材料本身的光电特性—适宜的直隙半导体禁带宽度、较低的激子束缚能、较高的摩尔消光系数、优良的载流子双极性扩散特性.然而,高效率钙钛矿太阳能电池的器件稳定性和迟滞效应现象仍未得到很好的改善,是当前急需要解决的挑战性难题.本文首先回顾了钙钛矿太阳能电池的发展历程和器件结构的演变,结合本课题组在反式p-i-n结构钙钛矿太阳能电池方面的研究进展,试图阐明一些由电池结构带来的本质性差异和一些设计实现钙钛矿太阳能电池高效率、高稳定性、消除迟滞效应的普遍规律.着重总结了基于聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)基与NiO基两类p型空穴传输材料的反式结构钙钛矿电池方面的代表性研究进展.     

反式钙钛矿太阳能电池研究进展

反式结构的钙钛矿太阳能电池由于其稳定性好、迟滞效应低等优点越来越受到人们的关注. 自2013年出现以来, 其光电转换效率从最初3.9%快速提升至21.5%. 然而, 反式钙钛矿太阳能电池的光电转化效率相比于传统正置结构钙钛矿太阳能电池依然存在差距, 同时其柔性及空气稳定性和大面积制备技术的开发仍是当前急需亟待解决的难题. 本文就反式钙钛矿太阳能电池载流子传输材料的选择、界面优化及柔性器件的发展等方面进行了系统的综述, 试图总结由结构和材料优化实现反式钙钛矿太阳能电池的高效率、高稳定性、大面积及柔性制备的普遍规律.     

准二维钙钛矿太阳能电池的研究进展

新型有机-无机杂化二维（2D）钙钛矿具有优良的光电性能、 结晶性和稳定性, 在太阳能电池领域引起广泛关注. 相比于三维（3D）钙钛矿, 由于有机间隔阳离子（OSC）的引入形成独特的层状晶体结构赋予了材料特殊性质: （1） 多层量子阱结构促成材料各项异性的光电性质; （2） 间隔阳离子改变前驱体团簇状态, 实现溶液中高质量的结晶; （3） 间隔层的疏水性质和抑制离子迁移作用, 从本源上改善了钙钛矿的稳定性. 近年来, 针对准2D钙钛矿太阳能电池（准2D-PSCs）展开了广泛研究, 并取得了一系列重要研究成果. 本文从准2D钙钛矿材料的晶体结构与取向、 相分布、 光电性质到器件的能量转化效率与稳定性等方面, 综合评述了近年来准 2D-PSCs的最新研究进展, 总结了晶体结构-材料性质-电池性能之间的作用机制, 并进一步展望了未来研究的趋势.     

σ‐ and π‐Bond Strengths in Main Group 3—5 Compounds

ChemInform is a weekly Abstracting Service, delivering concise information at a glance that was extracted from about 200 leading journals. To access a ChemInform Abstract, please click on HTML or PDF.     

从“最强酸碱”话题入手介绍超强酸、超强碱

酸碱质子理论是普通化学中的重要模块。学习酸碱质子理论一般从弱酸水溶液入手,若将应用范围扩展为所有含质子的化合物,该理论将被赋予更多的内涵。在含质子的已知化合物中,K_a的范围十分宽广,跨越了100个数量级以上。哪种酸碱“最强”一直是学生间喜闻乐见的话题,以此话题出发,介绍了常见的超强酸、超强碱与相关概念及应用。这些概念的介绍不仅拓展了学生的视野,更能够加深学生对酸碱质子理论的理解,对未来分析化学、无机化学、有机化学的教育产生积极意义。     

氧化还原反应复习的项目式教学设计与实施——探秘“84”消毒液

以为学校游泳池量身定做消毒方案为抓手和主任务,通过学生将任务拆解成子任务并转化为化学问题,在研究“84”消毒液有效成分次氯酸钠时,从化合价和物质类别2个角度初步构建出含氯物质的价类二维图,让学生在后面学习元素化合物时有图可依。     

ChemInform Abstract: Revisiting the Polyoxometalate‐Based Late‐Transition‐Metal‐Oxo Complexes: The “Oxo Wall” Stands.

New XRD data of the previously published K₁₄[P₂W₁₉O₆₉(H₂O)] (I), the ¹⁷O NMR spectrum of (Bu₄N)₇[PW₁₁O₃₉], a careful titration of “K₇H₂ [Au(O)(OH₂)P₂W₂₀O₇₀ (OH₂)₂]” followed by ³¹P NMR spectroscopy, and a new X‐ray crystal structure of the compound reformulated as K₁₂ [PdWO(H₂O)(PW₉O₃₄)₂] (II) are reported.     

Alternativ-Liganden. XXVI [1]. M(CO)4L-Komplexe (M  Cr,Mo, W) der Chelatliganden Me2ESiMe2(CH2)2E′Me2 (Me  CH3; E  P,As; E′  N,P, As)

Alternative Ligands. XXVI. M(CO)₄ L-Complexes (M ? Cr, Mo, W) of the Chelating Ligands Me₂ESiMe₂(CH₂)₂E′ Me₂ (Me ? CH₃; E ? P, As; E′ ? N, P, As) The reaction of M(CO)₄NBD (NBD = norbornadiene; M ? Cr, Mo, W) with the ligands Me₂ESiMe₂(CH₂)₂E′ Me₂ yields the chelate complexes (CO)₄M[Me₂ESiMe₂]) for E,E′ ? P, As, but not for E and /or E′ ? N. The NSi group is not suited for coordination because of strong (p-d)π-interaction. In the case of the ligands with E ? P or As and E′ ? N chelate complexes can be detected in the reaction mixture, but isolable products are complexes with two ligands coordinated via the E donor group. The new compounds are characterized by analytical and spectroscopic (IR, NMR, MS) investigations. The spectroscopic data are also used to deduce the coordinating properties of the ligands. X-ray diffraction studies of the molybdenum complexes (CO)₄Mo[Me₂ESiMe₂(CH₂)₂AsMe ₂] (E ? P, As) in accord with the observed coordination effects show only small differences between SiE and CE donor functions. Attempts to use the ligands Me₂ESiMe₂(CH₂)₂AsMe₂ (E ? P, As) for the preparation of Fe(CO)₃L complexes result in the fission of the SiE bonds and the formation of the binuclear systems Fe₂(CO)₆(EMe₂)₂ (E ? P, As) together with the disilane derivative [Me₂Si(CH₂)₂AsMe₂]₂.     

分子间的非共价相互作用：σ-穴键和π-穴键

第四到第七主族元素以及惰性气体元素可以作为电子受体位点形成分子间吸引性的非共价键合作用。这些电子受体位点,即缺电子密度的位点,大多情况下具有正的分子表面静电势,可以将其分为2类。沿着σ共价键键轴延伸方向原子的外围中心具有正的分子表面静电势的区域称之为σ-穴。而垂直于分子σ-骨架平面具有正的分子表面静电势区域称之为π-穴。σ-穴和π-穴与富电性位点之间吸引性的相互作用分别称之为σ-穴键和π-穴键。σ-穴键倾向于180°,而π-穴键倾向于90°。按照元素周期表族的名称,σ-穴键又分为碳素键、氮素键、氧素键、卤键、惰素键等。可见流行的卤键只是σ-穴键的一个子集。π-穴键分类显得复杂些,可简单分为单原子和多原子π-穴键。