南科大本科生胡启锟发表两篇钙钛矿太阳能电池空穴传输材料研究成果

2019年10月31日科研新闻

近日，美国化学会旗下的SCI一区期刊ACS applied materials & interfaces（IF:8.456）及Wiley 《Solar RRL》连续在线发表以南科大化学系许宗祥课题组2016级本科生胡启锟为第一作者的两篇论文，报道了课题组近期在钙钛矿太阳能电池空穴传输材料研究的最新成果。

金属酞菁材料合成、提纯简易，分子调控性强，稳定性高，是优异的半导体材料，广泛应用于多种有机光电器件。而酞菁取代基的位置对于酞菁的光学性质、电学性质以及聚集态都会产生较大的影响。而相比于外围取代基团，非外围取代基团使得酞菁在光谱中具有更长的吸收波段，并且对于酞菁的电学性质和聚集态有着更大的影响，也因此对器件性能影响更大。

ACS applied materials & interfaces发表的成果中，许宗祥课题组研究了由美国亚利桑那大学教授Dominic V. McGrath团队合成的两种具有相同取代基但是取代基位置不同的钛酞菁材料在钙钛矿太阳能电池上的表现，通过计算模拟发现外围取代基在酞菁分子上空间位阻更小，由此使得取代基的旋转角度与震动幅度更大，π-π堆积能力降低。数据表明，非外围取代的酞菁在钙钛矿层上具有更好的结晶能力、成膜能力、空穴提取能力以及抑制界面载流子复合的能力。最终，由非外围取代的酞菁制备的钙钛矿太阳能电池获得了最高16.87%的光电转换效率，相比于外围酞菁制备的电池器件6.82%的效率有很大的提升，并且表现出了更好的光稳定性、热稳定性与水氧稳定性。

论文中使用的酞菁材料及器件结构

南科大为该项工作第一通讯单位，许宗祥课题组2016级本科生胡启锟为第一作者，博士后Ehsan Rezaee和博士生李敏章为共同第一作者。美国亚利桑那大学Dominic V. McGrath教授和许宗祥副教授为共同通讯作者。

此前，许宗祥课题组曾报道了通过酞菁纳米线掺杂来提升P3HT 在钙钛矿太阳能电池上的表现（Solar RRL, 2019, 3, 1800264）。对于空穴传输材料而言，最常见的小分子掺杂是双三氟甲烷磺酰亚胺锂和4-叔丁基吡啶。这两种掺杂的引入虽然可以提升性能，但是双三氟甲烷磺酰亚胺锂对于水较好的亲和力会使得器件的稳定性大幅下降。Solar RRL发表的成果中，许宗祥课题组找到了一种新型p型掺杂有机小分子Zn(C₆F₅)₂来提高P3HT的载流子提取与传输性能，并进一步提升了其器件稳定性。

论文中使用的材料及器件结构

课题组通过晶体管及空间电荷限制电流两种方法，测试出Zn(C₆F₅)₂合适比例的掺杂对于P3HT迁移率有较大的提升。通过原子力显微镜、荧光光谱及阻抗谱，课题组发现Zn(C₆F₅)₂的掺杂量会对P3HT薄膜粗糙度造成较大影响，合适比例的掺杂对于P3HT的空穴提取能力以及降低载流子复合能力有着较大的提升。最终，在器件性能上Zn(C₆F₅)₂的掺杂可以获得最高17.49%的光电转换效率，相比于没有掺杂的P3HT器件最高14.05%的光电转换效率有着较大的提升，并且大幅提升了器件的均一性和稳定性。这为P3HT未来大面积应用在钙钛矿太阳能电池上打下来坚实的基础。

许宗祥课题组2016级本科生胡启锟为第一作者，博士后Ehsan Rezaee为共同第一作者，化学系副教授许宗祥为唯一通讯作者。

许宗祥课题组合影（许宗祥：右六；胡启锟：右三；Ehsan Rezaee：左三；李敏章：右五）

累计发表SCI二区以上论文14篇：其中第一作者发表9篇，并且都发表在一区top期刊上，4篇被选为封面论文……论文作者之一的胡启锟的科研故事，近日受到媒体报道。他表示，这两篇文章的实验研究总体上进行比较顺利，但是也遇到一些困难。课题组尝试了很多溶剂尝试溶解材料，希望达到最佳的溶解与成膜效果；在成膜条件上，课题组也尝试了很多优化，希望能达到理想的薄膜厚度，“在实验中，对最佳效果的追求是没有止境的。”他还表示，这两篇文章的扩展性工作目前已经取得了一些进展，希望接下来能够在已发表的论文的基础上做出更好的成果。

两项研究得到了深圳市科创委基础研究项目，深圳市发改委以及南方科技大学深圳柔性太阳能电池研发工程中心的支持。