华东理工大学朱为宏院士团队吴永真教授：空穴传输材料分子工程实现高效稳定宽带隙钙钛矿太阳电池

开发高性能的宽带隙钙钛矿电池是发展廉价叠层光伏技术的关键所在。针对宽带隙钙钛矿电池空穴抽取界面能级失配和非辐射复合严重等问题，华东理工大学朱为宏院士团队吴永真课题组通过调节空穴传输单元上的取代基，合成了新型氰基膦酸作为锚定基团的自组装型有机空穴传输材料MPA-CPA，MePA-CPA和TPA-CPA。材料良好的浸润性有助于高质量钙钛矿薄膜的溶液法制备，同时能够减少钙钛矿埋底界面缺陷的生成。基于双甲基三苯胺的MePA-CPA与带隙为1.68 eV的宽带隙钙钛矿具有最优异的能级匹配，实现了超过22%的光电转换效率和1.29 V的开路电压（V_OC），开路电压损失低于0.40 V，是目前宽带隙钙钛矿器件中的最小开路电压损失之一，同时新型空穴传输材料的使用也能够抑制卤素相分离，提升了宽带隙钙钛矿的光照稳定性。

宽带隙钙钛矿（E_g>1.65 eV）太阳电池由于相对较大的开路电压损失和光照下的卤素相分离等问题，相较于窄带隙太阳电池的发展较为落后，因此限制了叠层太阳电池性能的提升。宽带隙钙钛矿太阳电池的开路电压损失主要与钙钛矿层/电荷传输层界面的缺陷和能级排布密切相关。开发新型的空穴传输材料来实现快速的空穴提取和传输的同时，进一步调控钙钛矿的结晶和钝化钙钛矿的底界面缺陷，抑制界面的非辐射复合，有利于解决宽带隙钙钛矿面临的开路电压损失大与光照下的相分离问题。

此前，吴永真课题组提出了一种双亲性小分子设计策略，通过在空穴传输单元上引入多功能的氰基膦酸单元发展了双亲性小分子空穴传输材料，其可动态自组装构筑成有序、超薄、表面超浸润层，解决器件实际应用中载流子输运和界面缺陷控制两大难题（10.1126/science.adg3755）。在本工作中，该团队通过系统地改变空穴传输单元上的取代基来调控空穴传输材料的HOMO能级，使其与价带能级较深的宽带隙钙钛矿相匹配。其中，使用甲基取代基的空穴传输材料MePA-CPA与宽带隙钙钛矿间具有最匹配的能级排布。材料良好的浸润性减少了钙钛矿埋底界面缺陷的生成，从而获得了高质量的宽带隙钙钛矿薄膜。同时，渗入宽带隙钙钛矿薄膜的双亲性小分子抑制了光照下的卤素相分离，提高了钙钛矿薄膜的稳定性。因此，基于MePA-CPA的1.68 eV宽带隙钙钛矿太阳电池实现了22.3%的光电转换效率，开路电压损失低于0.40 V，是目前宽带隙钙钛矿器件中的最小开路电压损失之一，器件也实现了优异的长期光照稳定性。

图1.（a）CPA分子在ITO上的双层堆叠结构示意图；（b）MPA-CPA、MePA-CPA与TPA-CPA的分子结构；（c）空穴传输材料与钙钛矿的能级图；基于不同空穴传输材料的宽带隙钙钛矿太阳电池的J-V曲线（d）与EQE曲线（e）；（f）已报道的宽带隙钙钛矿器件的E_g-V_OC总结

论文第一作者为华东理工大学化学与分子工程学院博士研究生姬晓宇和张硕，通讯作者为吴永真教授。详见：Xiaoyu Ji, Shuo Zhang, Furong Yu, Huidong Zhang, Liqing Zhan, Yue Hu, Wei-Hong Zhu, and Yongzhen Wu. Efficient wide-bandgap perovskite solar cells with open-circuit voltage deficit below 0.4 V via hole-selective interface engineering. Sci China Chem, 2024, doi: 10.1007/s11426-023-1966-1.

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