作为第三代太阳能电池技术,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池(PSCs)由于其优异的光伏性能和低廉的生产成本,在解决能源短缺问题上具有很大的潜力。PSCs在过去短短的十年中发展迅速,目前PSCs器件的光电转换效率已由最初的3.8%提升到了25.5%(认证效率)。空穴传输材料(HTMs)作为高效PSCs的重要组成部分,它在提高器件性能和稳定性方面发挥着重要作用。它不仅可以提取与传输空穴,而且还可以保护钙钛矿层不受水分、氧气等不利的外部因素影响。因此,HTMs的合理设计对于提高PSCs的效率和稳定性至关重要。目前最为常用的HTM为2,2′,7,7′-四(N,N′-二对甲氧基苯胺)-9,9′-螺双芴(spiro-OMe TAD),但是其合成和纯化过程复杂,通常涉及低温反应(-78℃)与高活性试剂丁基锂的使用,苛刻的制备条件使其价格昂贵。同时spiro-OMe TAD本身导电性差需要添加掺杂剂(如叔丁基吡啶(t-BP)和锂双(三氟甲烷磺酰)亚胺(Li-TFSI))来提高其电导率和空穴迁移率。此外,掺杂剂的使用也将增加器件制备的总成本,阻碍其进一步商业化。因此,开发高效低成本的HTMs已成为重要的研究课题。在设计HTMs时,空穴迁移率是一个重要的考虑因素。D(给体)-A(受体)-D(给体)型有机共轭分子通常具有较高的偶极矩,分子间存在较强的相互作用,有利于分子间的电荷传输,从而使HTMs获得更高的空穴迁移率。基于此,本论文通过对分子结构的合理设计,采用相对简单的反应条件合成了D-A-D型有机小分子HTMs应用于PSCs,并深入探究了HTMs分子结构与其性能之间的关系。本论文主要内容为:1.合成了一种新型可绿色溶剂处理的D-A-D型非掺杂HTM F23。为了进一步认识HTM分子的核心基团与外围基团的位置关系对其性能的影响,将F23分子与其同分异构体F22进行了对比研究。研究表明:将咔唑二苯胺基团修饰在联吡啶的不同位点,使得F22和F23表现出不同的分子构型、电荷离域和能级。密度泛函理论(DFT)计算表明,与F22相比,F23具有更小的分子重组能,这有利于其获得更高的空穴迁移率。空间电荷限制电流(SCLC)测试表明F23薄膜在非掺杂的状态下具有较高的空穴迁移率(1.18×10^-4 cm² V^-1 s^-1)。有趣的是,F23薄膜可以使用不含卤素的绿色溶剂四氢呋喃(THF)来制备,相比使用THF旋涂的F22薄膜,表现出了更致密且平整的表面形貌,这有利于F23/钙钛矿界面处的电荷传输。稳态光致发光(PL)光谱和时间分辨光致发光(TRPL)光谱结果表明,F23具有强的空穴提取能力。因此,基于F23的非掺杂器件的PCE达到了17.6%。值得注意的是,该器件制备工艺只需要极少量的F23,其最低用量低至3 mg/m L,从而大大降低了器件制备的成本。此外,由于没有吸湿性掺杂剂,基于F23的器件也表现出良好的稳定性。2.以吡嗪基团作为核心基团连接两个给电子基团(3,6-咔唑二苯胺、2,7-咔唑二苯胺)设计合成了两个具有扭曲结构的D-A-D型有机小分子化合物3,6-DMPZ和2,7-DMPZ。3,6-DMPZ和2,7-DMPZ采用温和的反应条件合成,且均具有较高的产率(60%以上)。从分子结构来看,吸电子的吡嗪基团增加了分子的极性,增强了分子间的相互作用,促进了分子间电荷转移,提升了材料的空穴迁移率。研究发现,扭曲的分子结构使得3,6-DMPZ和2,7-DMPZ展现了优异的热稳定性和溶解性。3,6-DMPZ和2,7-DMPZ分子外围基团的异构化使3,6-DMPZ和2,7-DMPZ在能级、表面形貌和空穴传输性质方面表现出差异。SCLC实验表明,与3,6-DMPZ薄膜相比,2,7-DMPZ表现出更高的空穴迁移率。通过原子力显微镜(AFM)、电子扫描显微镜(SEM)表征发现2,7-DMPZ薄膜具有更加平整且光滑的表面形貌。稳态PL光谱测试表明2,7-DMPZ薄膜具有更好的空穴提取能力。瞬态光电流(TPC)衰减、瞬态光电压(TPV)衰减和电化学阻抗谱(EIS)表明,与3,6-DMPZ器件相比,2,7-DMPZ器件具有更高效的空穴传输性能和更少的载流子复合。因此,以2,7-DMPZ为HTM的PSC器件具有更好的光伏性能,PCE达到了19.61%。