南科大徐保民AM：聚合物空穴傳輸材料官能環的密集暴露以獲得高效鈣鈦礦太陽電池

近期國際頂級學術期刊《先進材料》（Advanced Materials，影響因子21.95）在線發表了南方科技大學材料科學與工程系徐保民講座教授為通訊作者的學術論文《聚合物空穴傳輸材料官能環的密集暴露以獲得高效鈣鈦礦太陽電池》（Intensive Exposure of Functional Rings of a Polymeric Hole-Transporting Material Enables Efficient Perovskite Solar Cells），詳細介紹了課題組在鈣鈦礦太陽電池用無摻雜空穴傳輸材料的研究成果。

鈣鈦礦太陽電池（PSC）自問世以來，歷經10年左右的快速發展，已經取得了23.3%的能量轉換效率（PCE）。目前經典的空穴傳輸材料（HTM）spiro-OMeTAD，以及新近報道的PCE達到23.2%的DM，都需要通過摻雜處理來提高其空穴傳輸能力，進而獲得高的光伏性能。然而，摻雜處理不僅會降低器件的長期穩定性，也會增加器件制備所需要的時間。為此，開發無摻雜的小分子或聚合物HTM成為一種需求，并且已經獲得了長足的發展。當前，聚合物HTM的主要設計標準為1）高的空穴遷移率和2）合適的HOMO能級。雖說HOMO能級大小關系到“HTM/鈣鈦礦層”界面的電荷傳遞，但是本質上仍然屬于HTM體材料的性能。而通過HTM的分子設計來實現“HTM/鈣鈦礦層”界面優化，這方面的報道還很少見。

徐保民教授課題組通過分子設計，將更多的具有加快電荷傳遞、鈍化鈣鈦礦缺陷的官能單元充分暴露給鈣鈦礦層，進而實現對“HTM/鈣鈦礦層”界面的優化。具體策略是：通過縮短側鏈的長度，使HTM膜中的分子呈現為edge-on（邊朝上）排列模式，從而在單位界面面積上擁有更多的官能單元（更密）；另一方面，減少官能單元上的側鏈，使官能單元與鈣鈦礦的距離降低（更近）。作為驗證，課題組設計了如下圖所示的聚合物DTB，并獲得了短路電流密度為25.50 mA/cm²、PCE為19.68%的電池性能（權威機構認證值分別為25.75 mA/cm²和19.50%），這分別是無摻雜有機HTM的最高短路電流密度、無摻雜聚合物HTM的介孔結構PSC最高效率。

進一步的分析表明，聚合物DTB具有更高的空穴提取能力、更強的鈣鈦礦層缺陷鈍化能力。

該論文的第一作者為課題組張羅正博士和劉暢博士，共同通訊作者為華盛頓大學、香港城市大學的Alex K.-Y. Jen教授。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201804028

視頻摘要：https://www.advancedsciencenews.com/dopant-free-hole-transport-material-for-perovskite-solar-cells-video/

本文系作者團隊供稿。

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