苏州大学李耀文教授：可应用于大面积刮涂钙钛矿太阳能电池模组制备的有机小分子空穴传输层材料

苏州大学李耀文教授与合作者通过精准调控有机小分子空穴传输层材料之间的弱键相互作用及溶解性，不仅提高了空穴传输层的载流子抽提能力，而且通过反扩散作用钝化了钙钛矿缺陷态，同时减少了大面积刮涂工艺对界面浸润性的依赖。最终，基于p-i-n型钙钛矿太阳能电池实现了高效大面积电池模组的制备。

钙钛矿太阳能电池由于具有高的光电转换效率，简单的加工工艺，较低的成本等优势因而拥有广阔的应用前景，目前钙钛矿太阳能电池认证的光电转化效率已经达到25.2%，满足了商业化对其效率的要求。然而，面向大面积加工工艺的材料开发和器件制备还相对薄弱，因此加快发展高效的钙钛矿太阳能电池大面积模组是当务之急。

在p-i-n型钙钛矿太阳能电池中，空穴传输层材料对钙钛矿晶体的生长、空穴的传输和器件的稳定性等方面都有着重要的影响，因而发展高效、可大面积加工的空穴传输层材料是推动p-i-n型钙钛矿太阳能电池大面积模组发展的关键。除了具有匹配的能级、稳定的化学性质、良好的重复性以外，可应用于大面积加工的空穴传输层材料还应有高的空穴迁移率，与钙钛矿前驱体溶液有良好的浸润性等特点。

目前常用的有机空穴传输层材料聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]（PTAA）尽管可以取得超过22%的器件效率，但是钙钛矿前驱体溶液在其上的浸润性较差，不利于大面积电池模组的制备，而当前对新型有机空穴传输层材料应用到大面积器件的报道几乎没有。因而，如何开发高效、高空穴迁移率、可应用于大面积加工工艺的空穴传输层材料实现高效p-i-n型钙钛矿太阳能电池显得尤为重要。

最近，苏州大学李永舫院士团队的李耀文教授等人设计合成了π-共轭的有机小分子空穴传输层材料BDT-TPA-sTh (图1)。X射线单晶衍射测试显示BDT-TPA-sTh分子中具有平行排列的π-π相互作用和S-π弱键相互作用，这使其具有更强的分子堆积性和更高的空穴迁移率。另外，BDT-TPA-sTh在钙钛矿前驱体溶液中的微弱溶解性使其能够反向扩散到钙钛矿活性层中，从而可以在不破坏空穴传输层的情况下，利用BDT-TPA-sTh中的硫原子进一步钝化未配位的Pb²⁺缺陷。

图1 BDT-TPA-sTh和BDT-TPA-sTPA的分子结构和制备过程。

最终，基于非掺杂的BDT-TPA-sTh空穴传输层材料的p-i-n型钙钛矿太阳能电池不仅展现出20.5%的器件效率和较好的湿度稳定性，而且适用于刮涂技术制备大面积器件（图2）。BDT-TPA-sTh的成功开发说明弱键相互作用和反向扩散的空穴传输层这一设计理念可以进一步推动大面积钙钛矿太阳能电池模组的发展。

图2 利用BDT-TPA-sTh空穴传输层得到的钙钛矿光伏器件(左)和电池模组(右)。

论文第一作者为苏州大学博士生薛荣明，通讯作者为李耀文教授，主要合作者有北京大学的朱瑞教授和浙江大学的杨旸教授。

Citation：Xue R, Zhang M, Luo D, Chen W, Zhu R, Yang YM, Li YW,Li YF. Dopant-free hole transporting materials with supramolecular interactions and reverse diffusion for efficient and modular p-i-n perovskite solar cells. Sci China Chem, 2020, 63, DOI:10.1007/s11426-020-9741-1.

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通讯作者简介

李耀文，苏州大学特聘教授，获得“国家优秀青年科学基金”、“江苏优秀青年基金”、“仲英青年学者”等人才项目资助。长期从事有机、钙钛矿太阳能电池相关研究。尤其在高性能、半透明太阳能电池材料的合成及器件结构探索，柔性大面积太阳能电池关键制备工艺及稳定性机理研究等方面取得了一系列研究成果。迄今，共发表SCI论文80余篇，其中以第一和通讯作者身份在Nat. Commun., Joule, Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Environ. Sci.等杂志上发表SCI论文40余篇，被引用4千余次，H影响因子34。其中，ESI热点论文2篇，ESI高被引论文10篇。目前主持国家自然科学基金面上项目等国家和省部级项目7项，横向项目2项。并建立了“柔性光电子器件”校企合作平台，与昇印光电（昆山）股份有限公司和江苏斯迪克新材料科技股份有限公司等企业建立了长期合作。

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