Stable Perovskite Solar Cells Using Molecularly Engineered Functionalized Oligothiophenes as Low-Cost Hole-Transporting Materials.
functionalized oligothiophenes
low-cost hole transporting material
n-i-p configuration
stable perovskite solar cells
Journal
Small (Weinheim an der Bergstrasse, Germany)
ISSN: 1613-6829
Titre abrégé: Small
Pays: Germany
ID NLM: 101235338
Informations de publication
Date de publication:
Jul 2021
Jul 2021
Historique:
revised:
25
02
2021
received:
06
02
2021
pubmed:
10
6
2021
medline:
10
6
2021
entrez:
9
6
2021
Statut:
ppublish
Résumé
Triarylamine-substituted bithiophene (BT-4D), terthiophene (TT-4D), and quarterthiophene (QT-4D) small molecules are synthesized and used as low-cost hole-transporting materials (HTMs) for perovskite solar cells (PSCs). The optoelectronic, electrochemical, and thermal properties of the compounds are investigated systematically. The BT-4D, TT-4D, and QT-4D compounds exhibit thermal decomposition temperature over 400 °C. The n-i-p configured perovskite solar cells (PSCs) fabricated with BT-4D as HTM show the maximum power conversion efficiency (PCE) of 19.34% owing to its better hole-extracting properties and film formation compared to TT-4D and QT-4D, which exhibit PCE of 17% and 16%, respectively. Importantly, PSCs using BT-4D demonstrate exceptional stability by retaining 98% of its initial PCE after 1186 h of continuous 1 sun illumination. The remarkable long-term stability and facile synthetic procedure of BT-4D show a great promise for efficient, stable, and low-cost HTMs for PSCs for commercial applications.
Identifiants
pubmed: 34105238
doi: 10.1002/smll.202100783
doi:
Types de publication
Journal Article
Langues
eng
Sous-ensembles de citation
IM
Pagination
e2100783Subventions
Organisme : MOST
ID : 109-3111-8-008-001
Organisme : NCU-DSM Research Center
Organisme : Swiss National Science Foundation
ID : CRSII5_171000
Pays : Switzerland
Informations de copyright
© 2021 Wiley-VCH GmbH.
Références
A. Kojima, K. Teshima, Y. Shirai, T. Miyasaka, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 6050
H. D. Pham, T. C.-J. Yang, S. M. Jain, G. J. Wilson, P. Sonar, Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1903326.
M. M. Lee, J. Teuscher, T. Miyasaka, T. N. Murakami, H. J. Snaith, Science 2012, 338, 643.
H.-S. Kim, C.-R. Lee, J.-H. Im, K.-B. Lee, T. Moehl, A. Marchioro, S.-J. Moon, R. Humphry-Baker, J.-H. Yum, J. E. Moser, M. Gratzel, N.-G. Park, Sci. Rep. 2012, 2, 591.
NREL Research Cell Record Efficiency Chart, https://www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/best-reserch-cellefficiencies.20200925.pdf (accessed: October 2020).
Y. Chen, X. Xu, N. Cai, S. Qian, R. Luo, Y. Huo, S.-W. Tsang, Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1901268.
S. Vegiraju, W. Ke, P. Priyanka, J.-S. Ni, Y.-C. Wu, I. Spanopoulos, S. L. Yau, T. J. Marks, M.-C. Chen, M. G. Kanatzidis, Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1905393.
I. Zimmermann, S. Aghazada, M. K. Nazeeruddin, Angew. Chem., Int. Ed. 2019, 58, 1072.
W. Ke, P. Priyanka, S. Vegiraju, C. C. Stoumpos, I. Spanopoulos, C. M. M. Soe, T. J. Marks, M.-C. Chen, M. G. Kanatzidis, J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 388.
X. Liu, F. Zhang, Z. Liu, Y. Xiao, S. Wang, X. Li, J. Mater. Chem. C 2017, 5, 11429.
J. Chen, N.-G. Park, J. Phys. Chem. C 2018, 122, 14039.
S.-H. Peng, T.-W. Huang, G. Gollavelli, C.-S. Hsu, J. Mater. Chem. C 2017, 5, 5193.
M. L. Petrus, K. Schutt, M. T. Sirtl, E. M. Hutter, A. C. Closs, J. M. Ball, J. C. Bijleveld, A. Petrozza, T. Bein, T. J. Dingemans, T. J. Savenije, H. Snaith, P. Docampo, Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1801605.
N. Xu, A. Zheng, Y. Wei, Y. Yuan, J. Zhang, M. Lei, P. Wang, Chem. Sci. 2020, 11, 3418.
M. Shasti, S. F. Volker, S. Collavini, S. Valero, F. Ruiperez, A. Mortezaali, S. M. Zakeeruddin, M. Gratzel, A. Hagfeldt, J. L. Delgado, Org. Lett. 2019, 21, 3261.
C. Lu, M. Paramasivam, K. Park, C. H. Kim, H. K. Kim, ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 14011.
K. Rakstys, C. Igci, M. K. Nazeeruddin, Chem. Sci. 2019, 10, 6748.
L. Duan, Y. Chen, J. Jia, X. Zong, Z. Sun, Q. Wu, S. Xue, ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 1672.
D. Bi, W. Tress, M. I. Dar, P. Gao, J. Luo, C. Renevier, K. Schenk, A. Abate, F. Giordano, J.-P. C. Baena, J.-D. Decoppet, S. M. Zakeeruddin, M. K. Nazeeruddin, M. Gratzel, A. Hagfeldt, Sci. Adv. 2016, 2, e1501170.
M. Saliba, S. Orlandi, T. Matsui, S. Aghazada, M. Cavazzini, J.-P. Correa-Baena, P. Gao, R. Scopelliti, E. Mosconi, K.-H. Dahmen, F. D. Angelis, A. Abate, A. Hagfeldt, G. Pozzi, M. Gratzel, M. K. Nazeeruddin, Nat. Energy 2016, 1, 15017.
N. J. Jeon, H. Na, E. H. Jung, T.-Y. Yang, Y. G. Lee, G. Kim, H.-W. Shin, S. I. Seok, J. Lee, J. Seo, Nat. Energy 2018, 3, 682.
M. Jeong, I. W. Choi, E. M. Go, Y. Cho, M. Kim, B. Lee, S. Jeong, Y. Jo, H. W. Choi, J. Lee, J.-H. Bae, S. K. Kwak, D. S. Kim, C. Yang, Science 2020, 369, 1615.
G. Divitini, S. Cacovich, F. Matteocci, L. Cina, A. Di Carlo, C. Ducati, Nat. Energy 2016, 1, 15012.
A. K. Jena, Y. Numata, M. Ikegami, T. Miyasaka, J. Mater. Chem. A 2018, 6, 2219.
Z. Hawash, L. K. Ono, S. R. Raga, M. V. Lee, Y. Qi, Chem. Mater. 2015, 27, 562.
R. Sandoval-Torrientes, I. Zimmermann, J. Calbo, J. Arago, J. Santos, E. Orti, N. Martin, M. K. Nazeeruddin, J. Mater. Chem. A 2018, 6, 5944.
G. Gong, N. Zhao, D. Ni, J. Chen, Y. Shen, M. Wang, G. Tu, J. Mater. Chem. A 2016, 4, 3661.
Y. Wang, W. Chen, L. Wang, B. Tu, T. Chen, B. Liu, K. Yang, C. W. Koh, X. Zhang, H. Sun, G. Chen, X. Feng, H. Y. Woo, A. B. Djurisic, Z. He, X. Guo, Adv. Mater. 2019, 31, 1902781.
J. Zhou, X. Yin, Z. Dong, A. Ali, Z. Song, N. Shrestha, S. S. Bista, Q. Bao, R. J. Ellingson, Y. Yan, W. Tang, Angew. Chem., Int. Ed. 2019, 58, 13717.
J. Urieta-Mora, I. Garcia-Benito, I. Zimmermann, J. Arago, A. M. Ontoria, E. Orti, N. Martin, M. K. Nazeeruddin, J. Org. Chem. 2020, 85, 224.
X. Liu, F. Kong, S. Jin, W. Chen, T. Yu, T. Hayat, A. Alsaedi, H. Wang, Z. Tan, J. Chen, S. Dai, ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 27657.
B.-B. Cui, C. Zhu, S. Yang, Y. Han, N. Yang, L. Zhang, Y. Wang, Y. Jia, L. Zhao, Q. Chen, ACS Omega 2018, 3, 10791.
Y. Wu, Z. Wang, M. Liang, H. Cheng, M. Li, L. Liu, B. Wang, J. Wu, R. P. Ghimire, X. Wang, Z. Sun, S. Xue, Q. Qiao, ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 17883.
J. Wu, C. Liu, X. Deng, L. Zhang, M. Hu, J. Tang, W. Tan, Y. Tian, B. Xu, RSC Adv. 2017, 7, 45478.
C. Shen, Y. Wu, H. Zhang, E. Li, W. Zhang, X. Xu, W. Wu, H. Tian, W.-H. Zhu, Angew. Chem., Int. Ed. 2019, 58, 3784.
L. Zhao, L. Qiu, D. Xia, S. Liu, X. Yi, J. Fan, K. Lin, R. Fan, Y. Guo, Y. Yang, ACS Appl. Energy Mater. 2019, 2, 8173.
J Urieta-Mora, I. Zimmermann, J. Arago, A. Molina-Ontoria, E. Orti, N. Martin, M. K. Nazeeruddin, Chem. Mater. 2019, 31, 6435.
X. Liu, F. Kong, R. Ghadari, S. Jin, T. Yu, W. Chen, G. Liu, Z. Tan, J. Chen, S. Dai, Chem. Commun. 2017, 53, 9558.
X. Liu, X. Ding, Y. Ren, Y. Yang, Y. Ding, X. Liu, A. Alsaedi, T. Hayat, J. Yao, S. Dai, J. Mater. Chem. C 2018, 6, 12912.
Y.-K. Wang, Z.-C. Yuan, G.-Z. Shi, Y.-X. Li, Q. Li, F. Hui, B.-Q. Sun, Z.-Q. Jiang, L.-S. Liao, Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 1375.
K. Rakstys, S. Paek, G. Grancini, P. Gao, V. Jankauskas, A. M. Asiri, M. K. Nazeeruddin, ChemSusChem 2017, 10, 3825.
I. Garcia-Benito, I. Zimmermann, J. Urieta-Mora, J. Arago, A. Molina-Ontoria, E. Orti, N. Martin, M. K. Nazeeruddin, J. Mater. Chem. A 2017, 5, 8317.
D. E. M. Rojas, K. T. Cho, Y. Zhang, M. Urbani, N. Tabet, G. Torre, M. K. Nazeeruddin, T. Torres, Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1800681.
W. Hu, Z. Zhang, J. Cui, W. Shen, M. Li, R. He, Nanoscale 2017, 9, 12916.
K. Rakstys, S. Paek, M. Sohail, P. Gao, K. T. Cho, P. Gratia, Y. Lee, K. H. Dahmen, M. K. Nazeeruddin, J. Mater. Chem. A 2016, 4, 18259.
X. Liu, F. Kong, R. Ghadari, S. Jin, W. Chen, T. Yu, T. Hayat, A. Alsaedi, F. Guo, Z. Tan, J. Chen, S. Dai, Energy Technol. 2017, 5, 1788.
T. Krishnamoorthy, F. Kunwu, P. P. Boix, H. Li, T. M. Koh, W. L. Leong, S. Powar, A. Grimsdale, M. Gratzel, N. Mathews, S. G. Mhaisalkar, J. Mater. Chem. A 2014, 2, 6305.
J. Wu, C. Liu, M. Hu, X. Deng, W. Tan, Y. Tian, B. Xu, J. Mater. Chem. A 2018, 6, 13123.
H. Li, K. Fu, P. P. Boix, L. H. Wong, A. Hagfeldt, M. Gratzel, S. G. Mhaisalkar, A. C. Grimsdale, ChemSusChem 2014, 7, 3420.
S. Paek, I. Zimmermann, P. Gao, P. Gratia, K. Rakstys, G. Grancini, M. K. Nazeeruddin, M. A. Rub, S. A. Kosa, K. A. Alamry, A. M. Asiri, Chem. Sci. 2016, 7, 6068.
Q. Wang, E. Mosconi, C. Wolff, J. Li, D. Neher, F. D. Angelis, G. P. Suranna, R. Grisorio, A. Abate, Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1900990.
M. L. Petrus, T. Bein, T. J. Dingemans, P. Docampo, J. Mater. Chem. A 2015, 3, 12159.
W.-L. Yu, H. Meng, J. Pei, W. Huang, Y. Li, A. J. Heeger, Macromolecules 1998, 31, 4838.
S. Karpe, A. Cravino, P. Frere, M. Allain, G. Mabon, J. Roncali, Adv. Funct. Mater. 2007, 17, 1163.
A. Facchetti, M.-H. Yoon, C. L. Stern, G. R. Hutchison, M. A. Ratner, T. J. Marks, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 13480.
J. Urieta-Mora, I. Gracia-Benito, I. Zimmermann, J. Arago, J. Calbo, G. Grancini, A. Molina-Ontoria, E. Orti, N. Martin, M. K. Nazeeruddin, J. Mater. Chem. C 2019, 7, 6656.
D. Liu, B. Kan, X. Ke, N. Zheng, Z. Xie, D. Lu, Y. Liu, Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1801618.
X. Ji, T. Zhou, X. Ke, W. Wang, S. Wu, M. Zhang, D. Lu, X. Zhang, Y. Liu, J. Mater. Chem. A 2020, 8, 5163.
W. Chi, S. K. Banerjee, Small 2020, 16, 1907531.
T. Malinauskas, D. Tomkute-Luksiene, R. Sens, M. Daskeviciene, R. Send, H. Wonneberger, V. Jankauskas, I. Bruder, V. Getautis, ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 11107.
W. Budiawan, K.-W. Lai, P. Karuppuswamy, T. S. Jadhav, Y.-A. Lu, K.-C. Ho, P.-C. Wang, C.-C. Chang, C.-W. Chu, ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, https://doi.org/10.1021/acsami.0c02204.
K. Rakstys, A. Abate, M. I. Dar, P. Gao, V. Jankauskas, G. Jacopin, E. Kamarauskas, S. Kazim, S. Ahmad, M. Gratzel, M. K. Nazeeruddin, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 16172.
M. H. Futscher, J. M. Lee, L. McGovern, L. A. Muscarella, T. Wang, M. I. Haider, A. Fakharuddin, L. Schmidt-Mende, B. Ehrler, Mater. Horiz. 2019, 6, 1497.
S. N. Habisreutinger, N. K. Noel, H. J. Snaith, ACS Energy Lett. 2018, 3, 2472.
M. Salado, J. Idigoras, L. Calio, S. Kazim, M. K. Nazeeruddin, J. A. Anta, S. Ahmad, ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 34414.
Q. Wang, Phys. Chem. Chem. Phys. 2018, 20, 10114.
A. A. Sutanto, N. Drigo, V. I. E. Queloz, I. Gracia-Benito, A. R. Kirmani, L. J. Richter, P. A. Schouwink, K. T. Cho, S. Paek, M. K. Nazeeruddin, G. Grancini, J. Mater. Chem. A 2020, 8, 2343.
G. Xing, N. Mathews, S. Sun, S. S. Lim, Y. M. Lam, M. Gratzel, S. Mhaisalkar, T. C. Sum, Science 2013, 342, 344.
N. Drigo, C. Roldan-Carmona, M. Franckevicius, K.-H. Lin, R. Gegevicius, H. Kim, P. A. Schouwink, A. A. Sutanto, S. Olthof, M. Sohail, K. Meerholz, V. Gulbinas, C. Corminboeuf, S. Paek, M. K. Nazeeruddin, J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 1792.
C. Igci, S. Paek, K. Rakstys, H. Kanda, N. Shibayama, V. Jankauskas, C. Roldan-Carmona, H. Kim, A. M. Asiri, M. K. Nazeeruddin, Sol. RRL 2020, 4, 2000173.
R. S. Sanchez, E. Mas-Marza, Sol. Energy Mater Sol. 2016, 158, 189.
J. Liu, Y. Wu, C. Qin, X. Yang, T. Yasuda, A. Islam, K. Zhang, W. Peng, W. Chen, L. Han, Energy Environ. Sci. 2014, 7, 2963.
S. Akin, M. Bauer, R. Uchida, N. Arora, G. Jacopin, Y. Liu, D. Hertel, K. Meerholz, E. Mena-Osteritz, P. Bauerle, S. M. Zakeeruddin, M. I. Dar, M. Gratzel, ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 7456.
J. A. Christians, P. Schulz, J. S. Tinkham, T. H. Schloemer, S. P. Harvey, B. J. Tremolet de Villers, A. Sellinger, J. J. Berry, J. M. Luther, Nat. Energy 2018, 3, 68.
S. Paek, I. Zimmermann, P. Gao, P. Gratia, K. Rakstys, G. Grancini, M. K. Nazeeruddin, M. A. Rub, S. A. Kosa, K. A. Alamry, A. M. Asiri, Chem. Sci. 2016, 7, 6068.
T. D. Kuhne, M. Iannuzzi, M. D. Ben, V. V. Rybkin, P. Seewald, F. Stein, T. Laino, R. Z. Khaliullin, O. Schutt, F. Schiffmann, D. Golze, J. Wilhelm, S. Chulkov, M. H. Bani-Hashemian, V. Weber, U. Borstnik, M. Taillefumier, A. S. Jakobovits, A. Lazzaro, H. Pabst, T. Muller, R. Schade, M. Guidon, S. Andermatt, N. Holmberg, G. K. Schenter, A. Hehn, A. Bussy, F. Belleflamme, G. Tabacchi, A. Glob, M. Lass, I. Bethune, C. J. Mundy, C. Plessl, M. Watkins, J. VandeVondele, M. Krack, J. Hutter, J. Chem. Phys. 2020, 152, 194103.
J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865.
S. Grimme, J. Antony, S. Ehrlich, H. Krieg, J. Chem. Phys. 2010, 132, 154104.
J. VandeVondele, J. Hutter, J. Chem. Phys. 2007, 127, 114105.
S. Geodecker, M. Teter, J. Hutter, Phys. Rev. B 1996, 54, 1703.