Research Progress of Graphdiyne-based Materials in Photovoltaic Applications

doi:10.7503/cjcu20220752

Abstract

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

CLC Number:

O613.71

TrendMD:

REN Yi, KAN Yuanyuan, SUN Yanna, LI Jianfeng, GAO Ke. Research Progress of Graphdiyne-based Materials in Photovoltaic Applications[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(7): 20220752.

Figures/Tables 10

References 101

1	Yahya M.， Bouziani A.， Ocak C.， Seferoğlu Z.， Sillanpää M.， Dyes Pigm.， 2021， 192， 109227
2	Ma X. Q.， Process. Chem.， 2022， 34（5）， 1042
	马晓清. 化学进展， 2022， 34（5）， 1042
3	Zeng L.， Wang L.， Qin J.， Ren Y.， Li H.， Lu X.， Lu F.， Tong J.， Li J.， Opt. Mater.， 2023， 136， 113404
4	Liu J.， Liu X.， Chen C.， Wang Q.， Li H.， Ren Y.， Shen H.， Lu X.， Yang C.， Tong J.， Li J.， Opt. Mater.， 2023， 135， 113288
5	Tang J.， Liu H.， Zhitomirsky D.， Hoogland S.， Wang X.， Furukawa M.， Levina L.， Sargent E. H.， Nano Lett.， 2012， 12（9）， 4889—4894
6	Xue R.， Zhang J.， Li Y.， Li Y.， Small， 2018， 14（41）， 1801793
7	Wu T.， Qin Z.， Wang Y.， Wu Y.， Chen W.， Zhang S.， Cai M.， Dai S.， Zhang J.， Liu J.， Zhou Z.， Liu X.， Segawa H.， Tan H.， Tang Q.， Fang J.， Li Y.， Ding L.， Ning Z.， Qi L.， Zhang Y.， Han L.， Nano⁃Micro Lett.， 2021， 13（1）， 1—18
8	Lee C. P.， Li C. T.， Ho K. C.， Mater. Today， 2017， 20（5）， 267—283
9	Yang M.， Wei W.， Zhou X.， Wang Z.， Duan C.， Energy Mater.， 2021， 1（1）， 100008
10	Zhang Y.， Duan C.， Ding L.， Sci. Bull.， 2020， 65（24）， 2040—2042
11	Bai Y.， Huang Z.， Zhang X.， Lu J.， Niu X.， He Z.， Zhu C.， Xiao M.， Song Q.， Wei X.， Science， 2022， 378（6621）， 747—754
12	Zhu L.， Zhang M.， Xu J.， Li C.， Yan J.， Zhou G.， Zhong W.， Hao T.， Song J.， Xue X.， Nat. Mater.， 2022， 21（6）， 656—663
13	Ding Y.， Mo L. E.， Tao L.， Ma Y. M.， Hu L. H.， Huang Y.， Fang X. Q.， Yao J. X.， Xi X. W.， Dai S. Y.， J. Power Sources， 2014， 272， 1046—1052
14	Neo D. C. J.， Cheng C.， Stranks S. D.， Fairclough S. M.， Kim J. S.， Kirkland A. I.， Smith J. M.， Snaith H. J.， Assender H. E.， Watt A. A. R.， Chem. Mater.， 2014， 26（13）， 4004—4013
15	Kwon S.， Kang H.， Lee J. H.， Lee J.， Hong S.， Kim H.， Lee K.， Adv. Energy Mater.， 2017， 7（10）， 1601496
16	Feng Y. Q.， Cui H.， Yan G. J.， Zhang B.， Fine Chem.， 2022， 39（9）， 1739—1746
	冯亚青，崔宏，严桂俊，张宝. 精细化工， 2022， 39（9）， 1739—1746
17	Liu Y.， Gao Y.， He F.， Xue Y.， Li Y.， CCS Chem.， 2022， doi： 10.31635/ccschem.022.202202005
18	Huang C.， Li Y.， Wang N.， Xue Y.， Zuo Z.， Liu H.， Li Y.， Chem. Rev.， 2018， 118（16）， 7744—7803
19	Fang Y.， Liu Y.， Qi L.， Xue Y.， Li Y.， Chem. Soc. Rev.， 2022， 51， 2681—2709
20	Li G.， Li Y.， Liu H.， Guo Y.， Li Y.， Zhu D.， Chem. Commun.， 2010， 46（19）， 3256—3258
21	An J.， Zhang H.， Qi L.， Li G.， Li Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2022， 61（7）， e202113313
22	Zhang C.， Li Y.， Chem. Res. Chinese Universities， 2021， 37（6）， 1149—1157
23	Zheng Z.， He F.， Xue Y.， Li Y.， Chem. Res. Chinese Universities， 2022， 38（1）， 92—98
24	Hui L.， Xue Y.， Yu H.， Liu Y.， Fang Y.， Xing C.， Huang B.， Li Y.， J. Am. Chem. Soc.， 2019， 141（27）， 10677—10683
25	Xue Y.， Huang B.， Yi Y.， Guo Y.， Zuo Z.， Li Y.， Jia Z.， Liu H.， Li Y.， Nat. Commun.， 2018， 9（1）， 1—10
26	Yu H.， Xue Y.， Hui L.， Zhang C.， Fang Y.， Liu Y.， Chen X.， Zhang D.， Huang B.， Li Y.， Natl. Sci. Rev.， 2021， 8（8）， 213
27	Zhang D.， Xue Y.， Zheng X.， Zhang C.， Li Y.， Natl. Sci. Rev.， 2023， 10， nwac209
28	Hui L.， Zhang X.， Xue Y.， Chen X.， Fang Y.， Xing C.， Liu Y.， Zheng X.， Du Y.， Zhang C.， He F.， Li Y.， J. Am. Chem. Soc.， 2022， 144（4）， 1921—1928
29	Wang R.， Zhang H.， Liu Q.， Liu F.， Han X.， Liu X.， Li K.， Xiao G.， Albert J.， Lu X.， Guo T.， Nat. Commun.， 2022， 13（1）， 1—11
30	Gao Y.， Xue Y.， He F.， Li Y.， Proc. Natl. Acad. Sci.， 2022， 119（36）， e2206946119
31	He F.， Li Y.， CCS Chem.， 2022， doi： 10.31635/ccschem.022.202202328
32	Zheng X.， Xue Y.， Zhang C.， Li Y.， CCS Chem.， 2022， doi： 10.31635/ccschem.022.202202189
33	Zhao J. L.， Huang C. D.， J. Funct. Mater.， 2022， 53（8）， 8045—8053
	赵金良，黄成德. 功能材料， 2022， 53（8）， 8045—8053
34	Wang N.， He J.， Wang K.， Zhao Y.， Jiu T.， Huang C.， Li Y.， Adv. Mater.， 2019， 31（42）， 1803202
35	Gao Y.， Xue Y.， Qi L.， Xing C.， Zheng X.， He F.， Li Y.， Nat. Commun.， 2022， 13（1）， 1—11
36	Zhao Y.， Yang N.， Yu R.， Zhang Y.， Zhang J.， Li Y.， Wang D.， EnergyChem， 2020， 2（5）， 100041
37	Zhu M.， Dong Y.， Xu J.， Zhang B.， Feng Y.， J. Mater. Sci.， 2019， 54（6）， 4893—4904
38	Zhang X.， Wang Q.， Jin Z.， Chen Y.， Liu H.， Wang J.， Li Y.， Liu S.， Adv. Mater. Interfaces， 2018， 5（2）， 1701117
39	Xiao J.， Shi J.， Liu H.， Xu Y.， Lv S.， Luo Y.， Li D.， Meng Q.， Li Y.， Adv. Energy Mater.， 2015， 5（8）， 1401943
40	Qiu L.， He S.， Ono L. K.， Qi Y.， Adv. Energy Mater.， 2020， 10（13）， 1902726
41	Luo Z.， Liu T.， Yan H.， Zou Y.， Yang C.， Adv. Funct. Mater.， 2020， 30（46）， 2004477
42	Cheng P.， Zhan X.， Chem. Soc. Rev.， 2016， 45（9）， 2544—2582
43	Liu L.， Kan Y.， Gao K.， Wang J.， Zhao M.， Chen H.， Zhao C.， Jiu T.， Jen A. K. Y.， Li Y.， Adv. Mater.， 2020， 32（11）， 1907604
44	Sun Y.， Nian L.， Kan Y.， Ren Y.， Chen Z.， Zhu L.， Zhang M.， Yin H.， Xu H.， Li J.， Joule， 2022， 6（12）， 2835—2848
45	Jin Z.， Yuan M.， Li H.， Yang H.， Zhou Q.， Liu H.， Lan X.， Liu M.， Wang J.， Sargent E. H.， Li Y.， Adv. Funct. Mater.， 2016， 26（29）， 5284—5289
46	Li Y.， Xu L.， Liu H.， Li Y.， Chem. Soc. Rev.， 2014， 43（8）， 2572—2586
47	Wu L.， Dong Y.， Zhao J.， Ma D.， Huang W.， Zhang Y.， Wang Y.， Jiang X.， Xiang Y.， Li J.， Feng Y.， Xu J.， Zhang H.， Adv. Mater.， 2019， 31（14）， 1807981
48	Yan H.， Guo S.， Wu F.， Yu P.， Liu H.， Li Y.， Mao L.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2018， 57（15）， 3922—3926
49	Liu R.， Gao X.， Zhou J.， Xu H.， Li Z.， Zhang S.， Xie Z.， Zhang J.， Liu Z.， Adv. Mater.， 2017， 29（18）， 1604665
50	Matsuoka R.， Sakamoto R.， Hoshiko K.， Sasaki S.， Masunaga H.， Nagashio K.， Nishihara H.， J. Am. Chem. Soc.， 2017， 139（8）， 3145—3152
51	Zhou W.， Shen H.， Zeng Y.， Yi Y.， Zuo Z.， Li Y.， Li Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59（12）， 4908—4913
52	He J.， Wang N.， Yang Z.， Shen X.， Wang K.， Huang C.， Yi Y.， Tu Z.， Li Y.， Energy Environ. Sci.， 2018， 11（10）， 2893—2903
53	He J.， Wang N.， Cui Z.， Du H.， Fu L.， Huang C.， Yang Z.， Shen X.， Yi Y.， Tu Z.， Li Y.， Nat. Commun.， 2017， 8（1）， 1—11
54	Wang N.， He J.， Tu Z.， Yang Z.， Zhao F.， Li X.， Huang C.， Wang K.， Jiu T.， Yi Y.， Angew. Chem.， 2017， 129（36）， 10880—10885
55	Xue Y.， Guo Y.， Yi Y.， Li Y.， Liu H.， Li D.， Yang W.， Li Y.， Nano Energy， 2016， 30， 858—866
56	Zhang S.， Du H.， He J.， Huang C.， Liu H.， Cui G.， Li Y.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2016， 8（13）， 8467—8473
57	Gao X.， Zhu Y.， Yi D.， Zhou J.， Zhang S.， Yin C.， Ding F.， Zhang S.， Yi X.， Wang J.， Tong L.， Han Y.， Liu Z.， Zhang J.， Sci. Adv.， 2018， 4（7）， 6378
58	Chen S.， Pan Q.， Li J.， Zhao C.， Guo X.， Zhao Y.， Jiu T.， Sci. China Mater.， 2020， 63（12）， 2465—2476
59	Li J.， Chen Y.， Guo J.， Wang F.， Liu H.， Li Y.， Adv. Funct. Mater.， 2020， 30（42）， 2004115
60	Ma K.， Wu J.， Wang X.， Sun Y.， Xiong Z.， Dai F.， Bai H.， Xie Y.， Kang Z.， Zhang Y.， Angew. Chem.， 2022， 134（42）， e202211094
61	Sakamoto R.， Fukui N.， Maeda H.， Matsuoka R.， Toyoda R.， Nishihara H.， Adv. Mater.， 2019， 31（42）， 1804211
62	Li L.， Zuo Z.， Wang F.， Gao J.， Cao A.， He F.， Li Y.， Adv. Mater.， 2020， 32（14）， 2000140
63	Ma R.， Zhou K.， Sun Y.， Liu T.， Kan Y.， Xiao Y.， Peña T. A. D.， Li Y.， Zou X.， Xing Z.， Matter， 2022， 5（2）， 725—734
64	Liu T.， Yang T.， Ma R.， Zhan L.， Luo Z.， Zhang G.， Li Y.， Gao K.， Xiao Y.， Yu J.， Joule， 2021， 5（4）， 914—930
65	Jiang M.， Bai H.， Zhi H.， Yan L.， Woo H. Y.， Tong L.， Wang J.， Zhang F.， An Q.， Energy Environ. Sci.， 2021， 14（7）， 3945—3953
66	Chen H.， Zhao T.， Li L.， Tan P.， Lai H.， Zhu Y.， Lai X.， Han L.， Zheng N.， Guo L.， He F.， Adv. Mater.， 2021， 33（37）， 2102778
67	Ma L.， Zhang S.， Zhu J.， Wang J.， Ren J.， Zhang J.， Hou J.， Nat. Commun.， 2021， 12（1）， 1—12
68	Shen H.， Wan L.， Fu Z.， Xue L.， Liu J.， Han S.， Du S.， Lu F.， Li J.， Opt. Mater.， 2023， 135， 113219
69	Ding Y.， Zhang X.， Feng H.， Ke X.， Meng L.， Sun Y.， Guo Z.， Cai Y.， Jiao C.， Wan X.， Li C.， Zheng N.， Xie Z.， Chen Y.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2020， 12（24）， 27425—27432
70	Gao K.， Deng W.， Xiao L.， Hu Q.， Kan Y.， Chen X.， Wang C.， Huang F.， Peng J.， Wu H.， Nano Energy， 2016， 30， 639—648
71	Gao H. H.， Sun Y.， Wan X.， Kan B.， Ke X.， Zhang H.， Li C.， Chen Y.， Sci. China Mater.， 2017， 60（9）， 819—828
72	Ye L.， Hu H.， Ghasemi M.， Wang T.， Collins B. A.， Kim J. H.， Jiang K.， Carpenter J. H.， Li H.， Li Z.， McAfee T.， Zhao J.， Chen X.， Lai J.， Ma T.， Bredas J.， Yan H.， Ade H.， Nat. Mater.， 2018， 17（3）， 253—260
73	Naveed H. B.， Zhou K.， Ma W.， Acc. Chem. Res.， 2019， 52（10）， 2904—2915
74	Li W.， Xiao Z.， Cai J.， Smith J. A.， Spooner E. L. K.， Kilbride R. C.， Game O. S.， Meng X.， Li D.， Zhang H.， Nano Energy， 2019， 61， 318—326
75	Song J.， Zhang M.， Yuan M.， Qian Y.， Sun Y.， Liu F.， Small Methods， 2018， 2（3）， 1700229
76	Jiang M.， Bai H. R.， Zhi H. F.， Sun J. K.， Wang J. L.， Zhang F.， An Q.， ACS Energy Lett.， 2021， 6（8）， 2898—2906
77	Xue L.， Liu X.， Wang Q.， Yang M.， Du S.， Yang C.， Tong J.， Xia Y.， Li J.， Energy Technol.， 2022， 10（10）， 2200504
78	Liu L.， Kan Y.， Ran G.， Zhao M.， Jia Z.， Chen S.， Wang J.， Chen H.， Zhao C.， Gao K.， Zhang W.， Jiu T.， Sci. China Mater.， 2022， 65（10）， 2647—2656
79	Wang J. X.， Bi Z. N.， Liang Z. R.， Xu X. Q.， Acta Phys. Sin.， 2016， 65（5）， 058801
	王军霞，毕卓能，梁柱荣，徐雪青. 物理学报， 2016， 65（5）， 058801
80	Chen S.， Shi G.， Adv. Mater.， 2017， 29（24）， 1605448
81	Hadadian M.， Smått J. H.， Correa B. J. P.， Energy Environ. Sci.， 2020， 13（5）， 1377—1407
82	Gao K.， Zhu Z.， Xu B.， Jo S. B.， Kan Y.， Peng X.， Jen A. K. Y.， Adv. Mater.， 2017， 29（47）， 1703980
83	Gao K.， Xu B.， Hong C.， Shi X.， Liu H.， Li X.， Xie L.， Jen A. K. Y.， Adv. Energy Mater.， 2018， 8（22）， 1800809
84	Fu W.， Wang J.， Zuo L.， Gao K.， Liu F.， Ginger D. S.， Jen A. K. Y.， ACS Energy Lett.， 2018， 3（9）， 2086—2093
85	Li J.， Jiu T.， Chen S.， Liu L.， Yao Q.， Bi F.， Zhao C.， Wang Z.， Zhao M.， Zhang G.， Xue Y.， Lu F.， Li Y.， Nano Lett.， 2018， 18（11）， 6941—6947
86	Li H.， Zhang R.， Li Y.， Li Y.， Liu H.， Shi J.， Zhang H.， Wu H.， Luo Y.， Li D.， Li Y.， Meng Q.， Adv. Energy Mater.， 2018， 8（30）， 1802012
87	Fan W.， Zhang S.， Xu C.， Si H.， Xiong Z.， Zhao Y.， Ma K.， Zhang Z.， Liao Q.， Kang Z.， Zhang Y.， Adv. Funct. Mater.， 2021， 31（34）， 2104633
88	Zhang J.， Tian J.， Fan J.， Yu J.， Ho W.， Small， 2020， 16（13）， 1907290
89	Li J.， Zhao M.， Zhao C.， Jian H.， Wang N.， Yao L.， Huang C.， Zhao Y.， Jiu T.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2018， 11（3）， 2626—2631
90	Tang J.， Zhao M.， Cai X.， Liu L.， Li X.， Jiu T.， Chem. Res. Chinese Universities， 2021， 37（6）， 1309—1316
91	Luan Y.， Wang F.， Zhuang J.， Lin T.， Wei Y.， Chen N.， Zhang Y.， Wang F.， Yu P.， Mao L.， Liu H.， Wang J.， EcoMat， 2021， 3（2）， e12092
92	Kuang C.， Tang G.， Jiu T.， Yang H.， Liu H.， Li B.， Luo W.， Li X.， Zhang W.， Lu F.， Fang J.， Li Y.， Nano Lett.， 2015， 15（4）， 2756—2762
93	Li M.， Wang Z. K.， Kang T.， Yang Y.， Gao X.， Hsu C. S.， Li Y.， Liao L. S.， Nano Energy， 2018， 43， 47—54
94	Li J.， Jiu T.， Duan C.， Wang Y.， Zhang H.， Jian H.， Zhao Y.， Wang N.， Huang C.， Li Y.， Nano Energy， 2018， 46， 331—337
95	Zhang S.， Si H.， Fan W.， Shi M.， Li M.， Xu C.， Zhang Z.， Liao Q.， Sattar A.， Kang Z.， Zhang Y.， Angew. Chem.， 2020， 132（28）， 11670—11679
96	Chen Y.， Li J.， Wang F.， Guo J.， Jiu T.， Liu H.， Li Y.， Nano Energy， 2019， 64， 103932
97	Ren Y.， Zhang D.， Suo J.， Cao Y.， Eickemeyer F. T.， Vlachopoulos N.， Zakeeruddin S. M.， Hagfeldt A.， Grätzel M.， Nature， 2022， 1—6
98	Gong J.， Sumathy K.， Qiao Q.， Zhou Z.， Renewable Sustainable Energy Rev.， 2017， 68， 234—246
99	Gong J.， Liang J.， Sumathy K.， Renewable Sustainable Energy Rev.， 2012， 16（8）， 5848—5860
100	Ren H.， Shao H.， Zhang L.， Guo D.， Jin Q.， Yu R.， Wang L.， Li Y.， Wang Y.， Zhao H.， Wang D.， Adv. Energy Mater.， 2015， 5（12）， 1500296
101	Pan Z.， Rao H.， Mora S. I.， Bisquert J.， Zhong X.， Chem. Soc. Rev.， 2018， 47（20）， 7659—7702

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］

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］

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］

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］

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］