石墨炔在光伏领域的研究进展

doi:10.7503/cjcu20220752

摘要/Abstract

摘要：

石墨炔由拓扑有序的sp和sp²碳原子构成, 具有丰富的碳化学键、大的共轭体系及优良的化学稳定性等独特优势, 在催化、能源存储与转换等领域展现出巨大的应用潜力. 本文聚焦石墨炔的可控合成, 综合评述了石墨炔应用于不同类型太阳能电池的研究进展, 讨论了石墨炔材料在提高器件性能方面的作用机制. 最后, 对石墨炔未来在光伏领域应用研究的机遇和挑战进行了展望.

关键词: 石墨炔, 合成, 太阳能电池, 光电转化效率

Abstract:

Graphdiyne， a novel carbon material with China intellectual property right， is composed of topologically ordered sp and sp² carbon atoms. It has many unique advantages such as rich carbon chemical bonds， large conjugated systems， and excellent chemical stability， showing the application potential in energy conversion and other fields. In this review， the controllable synthesis of graphdiyne is focused. Then the application based on graphdiyne in different types of solar cells is described comprehensively. Especially， the mechanism of graphdiyne materials is elucidated particularly in performance improvement. Finally， short perspectives of graphdiyne materials in the photovoltaic field are presented.

Key words: Graphdiyne, Synthesis, Solar cell, Power conversion efficiency

中图分类号:

O613.71

TrendMD:

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图/表 10

Fig.2 Synthesis and characterization of graphdiyne⁃based materials（A） Illustration for the synthesis of GDY［49］；（B） SEM image of GDY；（C， D） TEM images of GDY；（E） SAED pattern of GDY；（F， G） XPS spectra of GDY film［50］. （A） Copyright 2017， Wiley-VCH；（B—G） Copyright 2017， American Chemical Society.

Table 1 Performance for different graphdiyne

Material	Conductivity/（S·m^-1）	Band gap/eV	Interlayer spacing/nm	Electron mobility/（cm²·V^-1·s^-1）	Ref.
GDY	2.52×10^-4	0.44—1.47	0.405	10^-5	［20］
GDYO	6.26×10^-5		0.376		［59］
Cl⁃GDY	1.97×10^-3		0.376	9.378×10^-4	［43］
HsGDY	1.02×10^-3	0.75	0.419		［53］
F⁃GDY	9.66×10^-4	2.15	0.373		［52］
Tra⁃GD	1.1×10^-3	1.76	0.377		［58］

Fig.3 Application of graphdiyne⁃based materials in OSCs（A） Schematic illustration of OSCs device structure；（B） PCE of devices depicted as standard box plots；（C） chemical structure of GCl；（D） J-V characteristics of devices［43］；（E） the J-V curves of the control and GOMe-treated BHJ and LbL devices： BHJ∶D+A （purple line）， BHJ∶D+A+GOMe（1%， mass fraction， blue line）， LbL∶D/A（yellow line）， and LbL∶D+GOMe（0.5%， mass fraction）/A+GOMe（0.5%， mass fraction）（red line）； inset： the diagram of molecule arrangements and possible physical dynamics in the control and GOMe-treated BHJ and LbL films［44］.（A—D） Copyright 2020， Wiley-VCH；（E） Copyright 2022， Cell Press.

Table 2 Graphdiyne-based materials in OSCs

Material	Strategy	Pre⁃optimized PCE	Optimized PCE	Ref.
GCl	Solid additive	15.61%	17.32%	［43］
GOMe	Solid additive	15.15%	17.18%	［44］
GDYO	Modified hole transport material	15.7%	17.5%	［78］

Fig.4 Graphdiyne⁃based materials in the active layer of PSCs（A） Device structure of the PSCs；（B） data obtained from forward bias to short circuit（FB-SC） and from short circuit to forward bias（SC-FB） of the devices with or without GD［85］；（C） schematic illustration of the PSCs；（D） the quantum dots architecture of GD；（E） comparison of the reference and GD QDs-optimized perovskite solar cells for J⁃V characteristics under both reverse and forward scan directions， normalized PCE of the unencapsulated reference and optimized perovskite solar cells after ageing： in air（relative humidity of ca. 45%） for different times（F）； after annealing at 80 °C for different times（G）； and under continuous UV irradiation（5 mW/cm2） at N2 atmosphere for different times（H）［38］.（A， B） Copyright 2018， American Chemical Society；（C—H） Copyright 2018， Wiley-VCH.

Fig.5 Adding graphdiyne to hole transport layer of PSCs[39]（A） Schematic diagram of the P3HT hole-transporting material modified with GDY；（B） UV-Vis transmittance spectra of P3HT/GDY；（C） normalized time-resolved PL spectra of P3HT/GDY；（D） J-V characteristics of PSCs；（E） incident-photon-to-current conversion effciency（IPCE） spectra of PSCs.Copyright 2015， Wiley-VCH.

Fig.6 Doping GDY in common PSCs[93]（A） Device structure of the perovskite planar heterojunction solar cells；（B） cross-section SEM image of a typical perovskite device with C-PCBSD：GD based ETL；（C） molecule structures of PCBSD and graphdiyne and schematic illustration for the face on stacked C-PCBSD film owing to the π-π stacking interaction（inset） and the J⁃V curves of the champion device under AM 1.5 G illumination of 100 mW/cm2 and in the dark.Copyright 2018， American Chemical Society.

Table 3 Graphdiyne-based materials in PSCs

Material	Modified part	Pre⁃optimized PCE	Optimized PCE	Ref.
GDY	MAPbI₃	16.69%	21.01%	［85］
GDY	FA_0.85MA_0.15Pb（I_0.85Br_0.15）₃	20.06%	20.55%	［86］
GDY	TiO₂ + MAPbI₃ + Spiro⁃OMeTAD	17.17%	19.89%	［38］
GDY	CH₃NH₃PbI₃	16.7%	18.5%	［88］
N⁃GDY	CH₃NH₃PbI₃	19.64%	22.38%	［87］
GDY	P3HT	11.11%	13.17%	［39］
GDY	P3CT⁃K	16.80%	19.50%	［89］
GDYO	NiO _x	16.31%	18.16%	［90］
GDY	Spiro⁃OMeTAD	19.94%	22.17%	［91］
GDY	PCBM	13.6%	14.8%	［92］
GDY	PCBSD	17.38%	20.19%	［93］
GDY	PCBM + ZnO	16.59%	20.00%	［94］
GDY	SnO₂	18.79%	20.74%	［95］
GDY⁃Tz⁃CH₂（CH₂）₁₆CH₃	PCBM	16.24%	19.26%	［96］

Fig.7 Improvement of QDSCs properties with graphdiyne materials[45]（A） Schematic illustration of the QDSCs with GD anode buffer layer；（B） high magnification TEM image of dispersed GD；（C） J-V characteristics under simulated AM 1.5 G irradiation.Copyright 2016， Wiley-VCH.

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