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          pg電子官方科研分享：類SBF螺芳基鈣鈦礦太陽能電池空穴傳輸材料（螺[芴-9,9′-氧雜蒽]、螺吖啶、螺硫雜蒽）的研究進展
          
						
          
							發(fā)布時間：2022-01-21     作者：zhn   分享到：
							
          
								
          
								
							
          
						
          
						
          
						
          摘要：

          近10年,第三代光電能源轉換技術鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)正迅速崛起.基于有機-無機雜化鈣鈦礦材料的本征半導體特性以及PSCs平面多層器件架構特點,采用有機小分子空穴傳輸材料(HTMs)作為PSCs的p-型層,不僅實現(xiàn)了PSCs器件的全固態(tài)化,且大幅提升了器件效率及穩(wěn)定性.以當前通用的標準空穴傳輸材料spiro-OMeTAD(2,2′,7,7′-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9′-螺二芴)為模板,研究人員開展了眾多結構剖析和改進工作.隨著HTMs分子設計以及合成方法學的進展,近5年來,一系列低成本、高性能的類SBF螺芳基單元逐漸興起,并迅速進入空穴傳輸材料領域,如:螺[芴-9,9′-氧雜蒽]、螺吖啶、螺硫雜蒽等.螺芳基核結構的日益豐富,大大拓展了HTMs分子的設計空間,從而推動了PSCs效率和穩(wěn)定性的不斷提升.

          基準空穴傳輸材料:spiro-OMeTAD
          spiro-OMeTAD是在螺二芴核上構建的正交四元芳香叔胺分子,叔胺單元作為空穴傳輸功能部分;而剛性螺環(huán)核結構使其在應用中,能保持空穴傳輸層的熱和形貌穩(wěn)定性及三維載流子輸運性能,從而減少激子復合,確保電池效率和壽命.目前,spiro-OMeTAD是鈣鈦礦太陽能電池中的基準空穴傳輸材料.
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          分子spiro-OMeTAD中,三維螺二芴(SBF)核能以較小的空間集成更多的空穴傳輸單元;而芳胺優(yōu)的p-型特性,可修飾位置單一;因此,基于spiro-OMeTAD的結構改進主要圍繞芳胺單元的修飾開展.

          螺二芴(SBF)基空穴傳輸材料
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          下圖列出了近期基于SBF的高性能空穴傳輸材料的分子結構.參照spiro-OMeTAD,科研人員制備了一系列空穴傳輸材料。
          pm-spiro-OMeTAD、po-spiro-OMeTAD、pp-spiro-OMeTAD、2,4-spiro-OMeTAD
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          3,4-spiro-OMeTAD、DM、SC、ST
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          spiro-MeTAD1（spiro-TTB） 、spiro-MeTAD2 、CF-SP-BTh 、spiro-mF
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          spiro-oF 、spiro-OMeIm、G1、Dispiro-OBuTAD
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          spiro-F1、spiro-F2、spiro-F3
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          表1以螺二芴為中心核的空穴傳輸材料在鈣鈦礦太陽能電池中的應用
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          螺[芴-9,9′-氧雜蒽]基空穴傳輸材料
          螺[芴-9,9-氧雜蒽](spiro[fluorene-9,9′-xanthene],SFX)的結構及合成與SBF于1930年一同被報道。從反應性來看,SFX 氧雜蒽側可供修飾位置比SBF更活潑和豐富,有利于相關材料的結構衍生化.SFX單元在近 10年得到學界和產業(yè)界的廣泛關注;尤其在空穴傳輸材料研究領域,眾多高性能 SFX基分子不斷涌現(xiàn),結構、性能和成本方面的優(yōu)勢不斷被發(fā)掘出來.
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          基于SFX的結構和性質特點,由該類核衍生的空穴傳輸材料在近期得以快速發(fā)展,部分高性能材料的分子以及相應器件性能總結于表2中
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          含N/S原子的螺芳基有機小分子空穴傳輸材料HTMs

          除了**的SBF和SFX中心核,作為同樣具有剛性的十字交叉結構的螺芳基化合物,10-苯基-10H-螺[吖啶-9,9′-芴](10-phenyl-10H-spiro[acridine-9,9'-fluorene], SAF)和螺[芴-9,9′-硫雜蒽](Spiro[fluorene-9,9′-thioanthrene], SFT)的空穴傳輸材料近年來也在鈣鈦礦太陽能電池中得到了應用.


          基于含氮螺環(huán)芳香骨架的HTMs
          在SBF和SFX螺環(huán)基礎上,研究者進一步發(fā)展了一系列含N或S等雜原子的核結構,并用于構建新的空穴傳輸材料。
          CW3、CW4、CW5

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          SCZF-5、SAF-OMe、SAF-5


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          SFT-TPAM、SFT-TPA、ST



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          ST2、DDOF、G2(C102)

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          總結：
          本文綜述了聚焦含螺芳烴骨架的HTMs分子,根據其器件性能表現(xiàn),分析高性能材料的結構要素.按照螺芳烴核結構對高性能HTMs進行分類歸納,總結了結構設計思路和構效關系.期望通過較為全面的評述,對未來在螺芳烴基礎上進行功能化,設計、制備性能更加**的HTMs分子,提出幾點展望。為HTMs分子構建提供可參考的策略,從而推動PSCs繼續(xù)向**率、長壽命的實用化方向發(fā)展.

          文章來源：
          劉慶琳,任保軼,孫亞光,等. 螺芳基鈣鈦礦太陽能電池空穴傳輸材料研究進展[J]. 化學學報,2021,79(10):1181-1196. DOI:10.6023/A21060253.


          本文涉及的科研材料：
          以螺二芴(SBF)為中心核的空穴傳輸材料
          spiro-OMeTAD
          pm-spiro-OMeTAD
          po-spiro-OMeTAD 
          pp-spiro-OMeTAD 
          2,4-spiro-OMeTAD
          3,4-spiro-OMeTAD
          DM
          SC
          ST
          spiro-MeTAD1 
          spiro-MeTAD2 
          CF-SP-BTh 
          spiro-mF
          spiro-oF 
          spiro-OMeIm
          spiro-TTB
          G1
          Dispiro-OBuTAD
          spiro-F1
          spiro-F2
          spiro-F3

          以螺芴氧雜蒽(SFX)為中心核的空穴傳輸材料
          mp-SFX-3PA 
          mp-SFX-2PA
          mm-SFX-3PA
          mm-SFX-2PA
          HTM-FX
          HTM-F
          HTM-X
          HTM-X′
          HTM-FX′
          X59
          BTPA-4 
          BTPA-5
          BTPA-6 
          SFX-OMeTAD 
          SFXDAnCBZ 
          Y1 
          Y2 
          Y3
          X55 
          SFX-DTF1 
          SFX-DTF2 
          X26 
          X36
          SFX-TPAM
          SFX-TPA
          X60
          spiro-p,o-OMe 
          spiro-Me
          spiro-SMe 
          spiro-FOMe
          spiro-H
          spiro-IA
          XDB 
          XOP
          XMP 
          XPP  
          X61 a
          X62 a 
          2mF-X59  
          SFX-o-2F 
          SFX-m-2F
          SFX-p-2F 

          含硫、氮的螺芳基芴衍生物的空穴傳輸材料
          10-苯基-10H-螺環(huán)[吖啶-9,9′-芴]空穴傳輸材料
          CW3
          CW4
          CW5
          SAF-OMe
          SAF-5 
          SFT-TPAM
          SFT-TPA 
          ST
          ST2 
          DDOF 
          G2

          本文涉及的定制合成技術：
          1.含螺芳烴骨架的HTMs分子定制合成
          2.螺二芴(SBF)基空穴傳輸材料的定制合成
          3.螺[芴-9,9′-氧雜蒽](SFX)基空穴傳輸材料的定制合成 
          4.螺吖啶基空穴傳輸材料的定制合成
          5.螺硫雜蒽基空穴傳輸材料的定制合成 
          6.螺芳基核結構的空穴傳輸材料的定制合成




          
						
          
						
          
							
							
						
          
					
          
				
          
			
          
		
          
	
          

    







          
		
          
			
			
			
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