سنتز و کاربرد مواد انتقال دهنده‌ی حفره آلی در سلول‌ خورشیدی پروسکایت در شرایط بدون افزودنی‌

نوع مقاله : مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

دانشکده شیمی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران

چکیده

در سال‌های اخیر، با هدف جایگزینی انتقال دهنده حفره اسپایرامتاد، تلاش‌های فراوانی در زمینه سنتز مواد انتقال حفره جدید از(HTMs) برای سلول‌ خورشیدی پروسکایت (PSC) انجام شده است. با این حال، برای بهبود هدایت و تحرک‌پذیری این مواد، بیشتر از افزودنی‌های شیمیایی استفاده می‌شود که علاوه بر افزایش هزینه، مخرب بوده و به دلیل جاذب رطوبت بودن سرعت تخریب کریستال‌های پروسکایت را افزایش میدهند و باعث کاهش پایداری و بازدهای سلول‌های خورشیدی در درازمدت می‌شوند، در نتیجه با توجه به اهمیت سنتز مواد انتقال حفره(HTMs) بدون افزودنی، مولکولهای کوچک آلی 2 و 6 با استفاده از مواد اولیه مقرون به صرفه، به منظور بهبود مسیر سنتز، حلالیت و ایجاد مورفولوژی بهتر بر روی سطح پروسکایت نسبت به اسپایرواُمتاد سنتز، و با استفاده از روش الکتروشیمیایی، طیف جذب و نشر و طیف سنجی NMR، خواص شیمیایی، خلوص و شناسایی آن تایید گردید؛ علاوه بر این، پایداری حرارتی و استحکام HTMs جدید توسط DSC و TGA اندازه گیری شد. مولکولهای‌ مورد استفاده به دلیل وجود سیستم π از نوع دهنده-گیرنده، تحرک انتقال بار را افزایش داده و استفاده از افزودنی‌های شیمیایی را کاهش میدهند. در ادامه سلول خورشیدی حاصل ازHTMs 2 و 6 با آنالیزهای فوتوولتاییک مشخصه یابی شد، نتایج نشان می‌دهد که سلول حاوی لایه منتقل کننده حفره ۶ دارای عملکرد تقریبا مشابه به شاهد انتقالدهندهی حفره اسپایرواُمتاد در شرایط بدون افزودنی میباشد که در آن شدت جریان mA/cm2 68/14، ولتاژ مدار باز برابر با 82/0 ولت، فاکتور پرشدگی برابر با 65/0 و بازدهی توان تبدیل 88/7% نشان داده شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Synthesis and Application of Organic Hole Transporting Materials for Perovskite Solar Cells at Doped-Free Condition

نویسندگان [English]

  • Esmaeil Sheibani
  • Mostafa Moslempoor
  • Maryam Ghiasabadi
Department of Chemistry, University of Isfahan, Isfahan, 81746-73441, Iran
چکیده [English]

In recent years, numerous efforts have been made to synthesize new hole-transporting materials for perovskite solar cells with the aim of replacing spiro-OMeTAD. However, to improve the conductivity and mobility of these materials, chemical additives are mostly used, which not only increase the cost but also reduce the stability and efficiency of perovskite solar cells in the long term due to the moisture sensitivity of perovskite crystals. Therefore, small organic molecules 2 and 6 were synthesized using cost-effective raw materials to improve the synthesis route, solubility and morphology on the perovskite surface compared to spiro-OMeTAD for additive-free hole transport materials. The chemical properties, purity, and identification of these molecules were confirmed using electrochemical methods, UV-Vis spectroscopy, and NMR spectroscopy. Due to the donor-acceptor type π-system, the molecules used increase the charge transfer mobility and thus reduce the use of chemical additives. The photovoltaic parameters of the solar cell made from hole transport material 2 and 6 were determined by photovoltaic analysis, and the results showed that the performance of hole-transporting layer 6 was almost the same as of spiro-OMeTAD in additive-free conditions, with a current density of 14.68 mA/cm², an open-circuit voltage of 0.82 V, a fill factor of 0.65, and a power conversion efficiency of 7.88%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • perovskite solar cell
  • hole-transporting materials
  • doped-free
  • -cost-effective

مراجع

[1] Song, T.-B., Chen, Q., Zhou, H., Jiang, C., Wang, H.-H., Yang, Y.M., . . . Yang, Y. (2015). Perovskite solar cells: film formation and properties. J Journal of Materials Chemistry A, 3(17), 9032-9050.
[2] Sheibani, E., Heydari, M., Ahangar, H., Mohammadi, H., Fard, H.T., Taghavinia, N., . . . Tajabadi, F. (2019). 3D asymmetric carbozole hole transporting materials for perovskite solar cells. Solar Energy, 189, 404-411.
[3] Park, J., Kim, J., Yun, H.-S., Paik, M.J., Noh, E., Mun, H.J., . . . Seok, S.I.(2023). Controlled growth of perovskite layers with volatile alkylammonium chlorides. J Nature, 616(7958), 724-730.
[4] Al-Ashouri, A., Köhnen, E., Li, B., Magomedov, A., Hempel, H., Caprioglio, P., . . . Smith, J.A. (2020). Monolithic perovskite/silicon tandem solar cell with> 29% efficiency by enhanced hole extraction. J Science, 370(6522), 1300-1309.
[5] Tang, C.W. (1986). Two‐layer organic photovoltaic cell. J Applied physics letters, 48(2), 183-185.
[6] Shahinuzzaman, M., Afroz, S., Mohafez, H., Jamal, M., Khandaker, M.U., Sulieman, A., . . . Islam, M.A. (2022). Roles of Inorganic Oxide Based HTMs towards Highly Efficient and Long-Term Stable PSC—A Review. J Nanomaterials, 12(17), 3003.
[7] Sajid, S., Alzahmi, S., Salem, I.B., Park, J., & Obaidat, I.M. (2023). Lead-Free Perovskite Homojunction-Based HTM-Free Perovskite Solar Cells: Theoretical and Experimental Viewpoints. J Nanomaterials, 13(6), 983.
[8] Wu, J., Ma, Z., Huang, S., Lei, Y., Guo, H., Fang, Y., . . . Lin, Y. (2022). Directly purifiable Pre-oxidation of Spiro-OMeTAD for stability enhanced perovskite solar cells with efficiency over 23%. Chemical Engineering Journal, 437, 135457.
[9] Sheibani, E., Yang, L., & Zhang, J. (2020). Recent Advances in Organic Hole Transporting Materials for Perovskite Solar Cells. Solar RRL, 4(12).
[10] Yao, Y., Cheng, C., Zhang, C., Hu, H., Wang, K., & De Wolf, S. (2022). Organic Hole‐Transport Layers for Efficient, Stable, and Scalable Inverted Perovskite Solar Cells. J Advanced Materials, 34(44), 2203794.
[11] Sheibani, E., Moslempoor, M., & Arami Ghahfarokhi, F. (2023). Investigation of Hole Transporting Materials Based on p-type Polymers in Invert Perovskite Solar Cells (In press). Science and Technology, 1.
[12] Park, H.H. (2022). Efficient and stable perovskite solar cells based on inorganic hole transport materials. J Nanomaterials, 12(1), 112.
[13] Ahn, N., Son, D.-Y., Jang, I.-H., Kang, S.M., Choi, M., & Park, N.-G. (2015). Highly reproducible perovskite solar cells with average efficiency of 18.3% and best efficiency of 19.7% fabricated via Lewis base adduct of lead (II) iodide. Journal of the American Chemical Society, 137(27), 8696-8699.
[14] Jeon, N.J., Lee, H.G., Kim, Y.C., Seo, J., Noh, J.H., Lee, J., & Seok, S.I. (2014). o-Methoxy substituents in spiro-OMeTAD for efficient inorganic–organic hybrid perovskite solar cells. J Journal of the American Chemical Society, 136(22), 7837-7840.
[15] Wu, J., Ma, Z., Huang, S., Lei, Y., Guo, H., Fang, Y., . . . Lin, Y. (2022). Directly purifiable Pre-oxidation of Spiro-OMeTAD for stability enhanced perovskite solar cells with efficiency over 23%. J Chemical Engineering Journal, 437, 135457.
[16] Franckevičius, M., Mishra, A., Kreuzer, F., Luo, J., Zakeeruddin, S.M., & Grätzel, M. (2015). A dopant-free spirobi [cyclopenta [2, 1-b: 3, 4-b′] dithiophene] based hole-transport material for efficient perovskite solar cells. J Materials Horizons, 2(6), 613-618.
[17] Chen, Y., Yang, X., Wang, W., Ran, R., Zhou, W., Shao, Z., & Fuels. (2020). Tuning the A-site cation deficiency of La0. 8Sr0. 2FeO3− δ perovskite oxides for high-efficiency triiodide reduction reaction in dye-sensitized solar cells. J Energy, 34(9), 11322-11329.
[18] Konstantakou, M., Perganti, D., Falaras, P., & Stergiopoulos, T. (2017). Anti-solvent crystallization strategies for highly efficient perovskite solar cells. J Crystals, 7(10), 291.
[19] Laskin, A., Laskin, J., & Nizkorodov, S.A. (2015). Chemistry of atmospheric brown carbon. J Chemical reviews, 115(10), 4335-4382.
[20] Pu, X., Zhao, D., Fu, C., Chen, Z., Cao, S., Wang, C., & Cao, Y. (2021). Understanding and calibration of charge storage mechanism in cyclic voltammetry curves. J Angewandte Chemie International Edition, 60(39), 21310-21318.
شیمى کاربردى روز
دوره 19، شماره 71
تیر 1403
صفحه 95-110

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار