南科大郭旭岗教授、福建师大黄维院士/王漾教授、海大迟伟杰教授ACS AMI: 低成本、可绿色溶剂加工且界面属性可调的空穴界面材料

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近期，南方科技大学郭旭岗教授与福建师范大学柔性电子学院黄维院士团队、王漾教授课题组以及海南大学迟伟杰教授合作在钙钛矿电池中可绿色溶剂加工型空穴界面材料的研发方面取得新的进展，在前期工作（给体-受体-锚定基团分子设计策略，J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 16632；J. Energy Chem 2022, 68, 87-95）的基础上利用氟化策略设计合成了低成本、可绿色溶剂加工且界面属性可调的空穴界面材料，也创造了基于绿色溶剂加工型界面材料的反式钙钛矿电池的效率记录（22.37%），相关成果以标题为《Green-Solvent-Processable Low-Cost Fluorinated Hole Contacts with Optimized Buried Interface for Highly Efficient Perovskite Solar Cells》发表在ACS Applied Materials & Interfaces。南方科技大学材料科学与工程系博士研究生廖巧干、北京理工大学博士研究生郝梦瑶为论文共同第一作者；郭旭岗教授、王漾教授、迟伟杰教授及黄维院士为论文的共同通讯作者。

图1 可绿色溶剂加工的界面材料FMPA-BT-CA 用于高效反式钙钛矿太阳能电池

图2 (a) MPA-BT-CA、FMPA-BT-CA和2FMAP-BT-CA的分子构型；(b) MPA-BT-CA、FMPA-BT-CA和2FMAP-BT-CA表面静电势示意图；(c) 吸附钙钛矿表面的空穴接触分子的几何构型。

通过理论模拟计算，发现FMPA-BT-CA和2FMPA-BT-CA对钙钛矿的吸附能分别达-2.05和-2.04 eV，与MPA-BT-CA (-1.03 eV) 相比，提高幅度接近一倍。这将有利于减少钙钛矿的晶体形变，降低应力，将有利于提高钙钛矿的稳定性。

图3 (a) MPA-BT-CA, FMAP-BT-CA和2FMAP-BT-CA溶液的光吸收系数；(b) MPA-BT-CA, FMAP-BT-CA和2FMAP-BT-CA的循环伏安伏特；(c) 能级排列示意图；水滴-接触角测量:(d) MPA-BT-CA, (e) FMAP-BT-CA, (f) 2FMAP-BT-CA。

氟原子的引入拓宽了分子的光学带隙：MPA-BT-CA、FMPA-BT-CA和2FMPA-BT-CA的E_g分别为1.88、1.93和1.96 eV，且降低了分子的摩尔吸光系数：MPA-BT-CA (2.11 × 10⁴ M^-1 cm^-1)＞ FMPA-BT-CA (1.74 × 10⁴ M^-1 cm^-1) ＞ 2FMPA-BT-CA (1.01 × 10⁴ M^-1 cm^-1)。这都有利于降低入射光的损失，从而提高器件的光电流。通过循环伏安法测试可知氟化策略使得空穴界面材料具有更低的HOMO能级，这将有利于提升器件的开路电压。此外，氟原子的引入还可增加空穴界面材料表面的疏水性，有利于大尺寸钙钛矿晶粒的生长并提升器件空气稳定性。

图4 (a) 在不同的空穴接触界面表面沉积的钙钛矿薄膜的吸收光谱；(b) XPS光谱；(c) FMPA-BT-CA与PbI₂混合前后的¹⁹F NMR谱；(d) 2FMPA-BT-CA与PbI₂混合前后的¹⁹F NMR谱。

XPS光谱和¹⁹F NMR谱研究显示钙钛矿活性层与空穴接触层具有强的相互作用，有利于改善钙钛矿薄膜质量，提高钝化强度。

图5 (a) 反式PSC器件的截面图；(b)采用异丙醇加工空穴接触层的反式PSC器件的J-V特性曲线；(c)外部量子效率与的积分电流密度；(d) 稳态输出效率； (e) PCEs的统计分布；(f) 光浸泡稳定性。

令人欣喜的是，以异丙醇为加工溶剂，基于FMPA-BT-CA的反式钙钛矿器件的光电转换效率可达22.37%，其V_OC为1.15 V，J_SC达23.33 mA cm^-2 和FF为83.6%，迟滞可忽略不计且具有良好的稳定性。

图6 (a) 电压与光强的关系；(b) 空穴缺陷态密度测试；(c) 稳态PL；(d) 瞬态PL。

最后，通过表征开路电压与光强的依赖性、器件的空穴缺陷态密度、稳态及瞬态PL光谱发现，采用氟化空穴界面材料的钙钛矿器件具有高效的电荷转移、更低的电荷复合。该工作为开发基于高性能可绿色溶剂加工的空穴传输/界面材料提供了新的设计思路，并展示了钙钛矿器件的全绿色溶剂加工工艺的巨大潜力。

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c10758

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