![齐岳科研分享：类SBF螺芳基钙钛矿太阳能电池空穴传输材料（螺[芴-9,9′-氧杂蒽]、螺吖啶、螺硫杂蒽）的研究进展-UDP糖丨MOF丨金属有机框架丨聚集诱导发光丨荧光标记推荐西安齐岳生物](/images/logo.png){kind=logo}
摘要：
近10年,第三代光电能源转换技术钙钛矿太阳能电池(PSCs)正迅速崛起.基于有机-无机杂化钙钛矿材料的本征半导体特性以及PSCs平面多层器件架构特点,采用有机小分子空穴传输材料(HTMs)作为PSCs的p-型层,不仅实现了PSCs器件的全固态化,且大幅提升了器件效率及稳定性.以当前通用的标准空穴传输材料spiro-OMeTAD(2,2′,7,7′-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9′-螺二芴)为模板,研究人员开展了众多结构剖析和改进工作.随着HTMs分子设计以及合成方法学的进展,近5年来,一系列低成本、高性能的类SBF螺芳基单元逐渐兴起,并迅速进入空穴传输材料领域,如:螺[芴-9,9′-氧杂蒽]、螺吖啶、螺硫杂蒽等.螺芳基核结构的日益丰富,大大拓展了HTMs分子的设计空间,从而推动了PSCs效率和稳定性的不断提升.
基准空穴传输材料:spiro-OMeTAD
spiro-OMeTAD是在螺二芴核上构建的正交四元芳香叔胺分子,叔胺单元作为空穴传输功能部分;而刚性螺环核结构使其在应用中,能保持空穴传输层的热和形貌稳定性及三维载流子输运性能,从而减少激子复合,确保电池效率和寿命.目前,spiro-OMeTAD是钙钛矿太阳能电池中的基准空穴传输材料.
分子spiro-OMeTAD中,三维螺二芴(SBF)核能以较小的空间集成更多的空穴传输单元;而芳胺优的p-型特性,可修饰位置单一;因此,基于spiro-OMeTAD的结构改进主要围绕芳胺单元的修饰开展.
螺二芴(SBF)基空穴传输材料
下图列出了近期基于SBF的高性能空穴传输材料的分子结构.参照spiro-OMeTAD,科研人员制备了一系列空穴传输材料。
pm-spiro-OMeTAD、po-spiro-OMeTAD、pp-spiro-OMeTAD、2,4-spiro-OMeTAD
3,4-spiro-OMeTAD、DM、SC、ST
spiro-MeTAD1（spiro-TTB） 、spiro-MeTAD2 、CF-SP-BTh 、spiro-mF
spiro-oF 、spiro-OMeIm、G1、Dispiro-OBuTAD
spiro-F1、spiro-F2、spiro-F3
表1以螺二芴为中心核的空穴传输材料在钙钛矿太阳能电池中的应用
螺[芴-9,9′-氧杂蒽]基空穴传输材料
螺[芴-9,9-氧杂蒽](spiro[fluorene-9,9′-xanthene],SFX)的结构及合成与SBF于1930年一同被报道。从反应性来看,SFX 氧杂蒽侧可供修饰位置比SBF更活泼和丰富,有利于相关材料的结构衍生化.SFX单元在近 10年得到学界和产业界的广泛关注;尤其在空穴传输材料研究领域,众多高性能 SFX基分子不断涌现,结构、性能和成本方面的优势不断被发掘出来.
基于SFX的结构和性质特点,由该类核衍生的空穴传输材料在近期得以快速发展,部分高性能材料的分子以及相应器件性能总结于表2中
含N/S原子的螺芳基有机小分子空穴传输材料HTMs
除了**的SBF和SFX中心核,作为同样具有刚性的十字交叉结构的螺芳基化合物,10-苯基-10H-螺[吖啶-9,9′-芴](10-phenyl-10H-spiro[acridine-9,9'-fluorene], SAF)和螺[芴-9,9′-硫杂蒽](Spiro[fluorene-9,9′-thioanthrene], SFT)的空穴传输材料近年来也在钙钛矿太阳能电池中得到了应用.
基于含氮螺环芳香骨架的HTMs
在SBF和SFX螺环基础上,研究者进一步发展了一系列含N或S等杂原子的核结构,并用于构建新的空穴传输材料。
CW3、CW4、CW5
SCZF-5、SAF-OMe、SAF-5
SFT-TPAM、SFT-TPA、ST
ST2、DDOF、G2(C102)
本文综述了聚焦含螺芳烃骨架的HTMs分子,根据其器件性能表现,分析高性能材料的结构要素.按照螺芳烃核结构对高性能HTMs进行分类归纳,总结了结构设计思路和构效关系.期望通过较为全面的评述,对未来在螺芳烃基础上进行功能化,设计、制备性能更加**的HTMs分子,提出几点展望。为HTMs分子构建提供可参考的策略,从而推动PSCs继续向**率、长寿命的实用化方向发展.
刘庆琳,任保轶,孙亚光,等. 螺芳基钙钛矿太阳能电池空穴传输材料研究进展[J]. 化学学报,2021,79(10):1181-1196. DOI:10.6023/A21060253.
本文涉及的科研材料：
以螺二芴(SBF)为中心核的空穴传输材料
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
以螺芴氧杂蒽(SFX)为中心核的空穴传输材料
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传输材料
10-苯基-10H-螺环[吖啶-9,9′-芴]空穴传输材料
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术：
1.含螺芳烃骨架的HTMs分子定制合成
2.螺二芴(SBF)基空穴传输材料的定制合成
3.螺[芴-9,9′-氧杂蒽](SFX)基空穴传输材料的定制合成
4.螺吖啶基空穴传输材料的定制合成
5.螺硫杂蒽基空穴传输材料的定制合成
6.螺芳基核结构的空穴传输材料的定制合成
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