噻吩基为π桥、 氰基吡啶基为吸电子基团的小分子三苯胺衍生物用于改善CsPbI3太阳电池的性能

doi:10.7503/cjcu20250268

摘要/Abstract

摘要：

采用Stille偶联和Suzuki偶联等经典反应，合成了2种D⁃π⁃A结构的小分子三苯胺衍生物N，N-双(4-甲氧基苯基)-4-[5-(4-吡啶基)-2-噻吩基]苯胺(H457)和N，N-双(4-甲氧基苯基)-4-[2，3-二氢-7-(4-吡啶基)噻吩基] 苯胺(H459); 将2种小分子三苯胺衍生物分别用结晶修饰和表面后处理修饰的方法沉积在FTO/c-TiO₂/m-TiO₂/CsPbI₃复合薄膜上，制备了CsPbI₃钙钛矿太阳电池，并测量了各种CsPbI₃钙钛矿太阳电池的能量转换效率. 采用扫描电子显微镜(SEM)、 X射线衍射(XRD)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、电流密度-电压(J-V)曲线和电化学阻抗等方法对CsPbI₃钙钛矿太阳电池进行了表征和机理研究. 结果表明，修饰的CsPbI₃钙钛矿太阳电池的能量转换效率提高到15.82%，且被修饰的电池器件稳定性和使用寿命均得到提升.

关键词: 能量转换效率, D?π?A结构, 小分子三苯胺衍生物, CsPbI₃钙钛矿太阳电池

Abstract:

In this paper， two novel D-π-A structured small molecular triphenylamine derivatives， N，N-bis（4- methoxyph-enyl）-4-［5-（4-pyridyl）-2-thienyl］ aniline（H457） and N，N-bis（4-methoxyphenyl）-4-［2，3-dihydro-7-（4-pyridyl）thienyl］ aniline（H459）， were synthesized with classical reactions such as Stille coupling and Suzuki coupling. The small molecular derivatives were deposited onto FTO/c-TiO₂/m-TiO₂/CsPbI₃ composite films by means of crystallization modification and surface post-treatment modification to fabricate CsPbI₃ perovskite solar cells. The energy conversion efficiencies of various CsPbI₃ perovskite solar cells were measured， and their characterization and mechanism were studied using scanning electron microscope（SEM）， X-ray diffractometer（XRD）， ultraviolet-visible spectroscopy（UV-Vis）， current density voltage（J⁃V） curves， and electrochemical impedance spectroscopy. The results show that the energy conversion efficiency of the modified CsPbI₃ perovskite solar cells has increased to 15.82%， and the stability and service life of the modified cell devices have also been improved.

Key words: Power conversion efficiency, D?π?A structure, Small molecular triphenylamine derivative, CsPbI₃^{perovskite solar cell}

中图分类号:

O646

TrendMD:

郝彦忠, 吕海军, 刘佳慧, 位晓佳, 叶晓婵. 噻吩基为π桥、氰基吡啶基为吸电子基团的小分子三苯胺衍生物用于改善CsPbI₃太阳电池的性能. 高等学校化学学报, 2026, 47(3): 20250268.

HAO Yanzhong, LYU Haijun, LIU Jiahui, WEI Xiaojia, YE Xiaochan. Small Molecular Triphenylamine Derivative with Thiophene Group as π Bridge and Cyanopyridine Group as Electron-withdrawing Group Improving the Performance of CsPbI₃ Solar Cell. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(3): 20250268.

图/表 12

Fig.1 Molecular structures(A), frontier orbitals of optimized geometries in the ground state(B), energy levels and electrostatic potential(ESP) diagram(C) of H457 and H459

Fig.2 Photocurrent transients(A) and UV⁃PL normalized spectra(B, C), cyclic voltammetry curves of different thin film electrodes(D, E), energy level diagrams of various materials in CsPbI3 solar cells(F)（A） Incidentlight： white light， electrolyte solution： 0.1 mol/L KSCN ethanol solution， electrode potential： 0.6 V（vs. SCE）；（B， C） 0.05 mol/L H457 dichloromethane solution；（D， E） electrolyte solution： 0.1 mol/L tetrabutylammonium hexafluorphosphate dichloromethane solution. Scanning rate： 100 mV/s. Scanning range： -0.2—1.5 V（vs. Ag/AgCl）.

Table 1 Energy level for H457 and H459

Sample	E/eV	λ/nm	ΔE/eV	E_HOMO/eV	E_LUMO/eV
H457	0.841	484	2.56	-5.64	-3.08
H459	0.826	527	2.35	-5.63	-3.28

Fig.3 SEM images of TiO2 compact film and TiO2 mesoporous film(A), CsPbI3 film(B), CsPbI3 film modified with H457 by crystallization(C), CsPbI3 film modified with H457 by surface post⁃treatment(D), CsPbI3 film modified with H459 by crystallization(E) and CsPbI3 film modified with H459 by surface post⁃treatment(F)

Fig.4 Standard XRD patterns of CsPbI3α(A), β(B), γ(C) and δ(D) phases, XRD patterns of CsPbI3 films modified with H457 or H459 by surface post⁃treatment and CsPbI3 film without modification(E)

Fig.5 J⁃V curves of various CsPbI3 solar cell devices(A, B), J⁃V curves of various CsPbI3 solar cell devices in the air for 24 h(C, D)

Table 2 Photovoltaic parameters of different devices

Sample	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^-2）	FF（%）	PCE（%）
Control device	0.9746	17.89	60.14	13.78
Device A	1.031	18.79	66.43	15.27
Device B	1.016	19.06	64.85	15.34
Device C	1.035	19.93	67.16	15.75
Device D	1.027	19.86	68.58	15.82

Table 3 Photovoltaic parameters of different devices exposed to the air ambient for 24 h

Sample	V_OC/V	J_SC/（mA·cm^-2）	FF（%）	PCE（%）
Control device	0.9256	17.62	48.79	11.18
Device A	0.9268	18.05	55.43	13.52
Device B	0.9601	18.56	62.85	13.36
Device C	0.9569	18.69	58.16	13.62
Device D	0.9524	19.73	64.58	13.89

Fig.6 Distribution histogram of device D(A), long⁃term stability test of XRD of CsPbI3 modified with H459 by surface post⁃treatment modification[(20±5) ℃, (25±5)% relative humidity](B), relationship of absorbance at 600 nm with time of various films(C) and UV⁃Vis spetra of CsPbI3 films(D)

Fig.7 Nyquist plots of devices and fitting equivalent circuit diagram(inset)(A), fluorescence spectra for H457 and H459(B), absorption spectra for CsPbI3 film andCsPbI3 films modified with H457 or H459 by surface post⁃treatment modification(C), EQE and integrated Jsc curves of devices C and D(D)

Fig.8 XPS spectra of Pb4f (A), I3d (B), N1s (C) and S2p (D) of pristine CsPbI3 thin films and those modified with H457 or H459

Fig.9 Contact angles of CsPbI3 films of FTO/C⁃TiO2/m⁃TiO2/CsPbI3 film(A), FTO/C⁃TiO2/m⁃TiO2/CsPbI3+H457(crystallization modified) film(B), FTO/c⁃TiO2/m⁃TiO2/CsPbI3/H457(surface post⁃treatment modification) film(C), FTO/c⁃TiO2/m⁃TiO2/CsPbI3+H459(crystallization modification) film(D) and FTO/c⁃TiO2/m⁃TiO2/CsPbI3/H459(surface post⁃treatment modification) film(E)

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噻吩基为π桥、氰基吡啶基为吸电子基团的小分子三苯胺衍生物用于改善CsPbI₃太阳电池的性能

Small Molecular Triphenylamine Derivative with Thiophene Group as π Bridge and Cyanopyridine Group as Electron-withdrawing Group Improving the Performance of CsPbI₃ Solar Cell

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