河大李萌："π共轭分子桥联策略"提升倒置钙钛矿太阳能电池性能

主要内容

金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）作为下一代极具发展前景的光伏技术，正受到广泛关注。然而，其商业化进程目前仍面临效率提升瓶颈和长期稳定性欠佳这两大关键挑战。在倒置钙钛矿太阳能电池结构中，自组装单分子层（SAMs）凭借其与电池体系良好的能级匹配特性以及极低的寄生吸收，成为空穴选择层（HSLs）的理想材料。但传统自组装单分子层分子间作用力较弱，这导致薄膜容易出现团聚现象，界面接触不紧密，进而引发严重的非辐射复合，极大地限制了电池性能的提升。

为突破这些技术瓶颈，河南大学纳米科学与材料工程学院李萌教授团队与内蒙古师范大学刘海瑞教授团队强强联合，精心设计出一种新型多功能π共轭分子——2TPA-SP。该分子独特的螺芴桥接主链结构，使其能够与基于咔唑的自组装单分子层形成稳定且强力的π-π堆积作用。这种创新的分子设计显著增强了薄膜的致密程度，有效提升了界面覆盖的均匀性。此外，分子结构中巧妙引入的甲氧基可与欠配位的Pb²⁺发生配位反应，精准钝化界面缺陷；而三苯胺基团则如同高效的“电荷传输通道”，进一步优化了空穴的提取与传输过程。

实验数据令人振奋：采用2TPA-SP的器件实现了高达26.45%的优异光电转换效率（PCE），在AM1.5G标准光照条件下连续工作1000小时后，仍能保持初始效率的93.6%，展现出卓越的长期稳定性。同时，10cm×10cm的微型组件也取得了22.26%的高效率，充分证明了该方法在大规模应用方面的巨大潜力和可行性。

综上所述，为解决传统自组装单分子层（SAMs）在钙钛矿太阳能电池（PSCs）应用中存在的薄膜均匀性差、界面接触不良以及空穴传输效率低等突出问题，李萌教授与刘海瑞教授团队创新性地提出了基于2TPA-SP的多功能强π共轭桥联策略。通过与BCZ的π-π堆积相互作用，2TPA-SP大幅提升了薄膜的致密性。此外，C─O-Pb配位作用不仅有效钝化了界面缺陷，还为钙钛矿的结晶提供了有利条件，促进了高质量晶体的形成。该策略全方位优化了界面能级匹配和表面电势分布，有效缓解了残余拉伸应力，将缺陷密度大幅降低，从而为器件中空穴的高效提取与传输创造了良好条件。因此，引入2TPA-SP的器件实现了26.45%的卓越光电转换效率（PCE），且在稳定运行1000小时后仍能保持初始效率的93.6%，充分彰显了其优异的长期稳定性和可靠性。此外，10cm×10cm微型组件所取得的高效率成果，进一步凸显了该方法在大规模商业化应用中的广阔前景。本研究充分展示了由π-π堆积驱动的多功能界面工程在提升钙钛矿太阳能电池性能与稳定性方面的显著成效，为推动钙钛矿太阳能电池走向商业化应用提供了极具价值的参考和可行的技术路径。

文献信息

A π-Conjugated Molecular Bridge Strategy for Constructing Efficient Hole Transport Pathways in Inverted Perovskite Solar Cells

Yehua Zhang, Ying Tang, Zuhong Zhang, Jinbo Zhao, Hongzhuo Wu, Zhihao Li, Jien Yang, Yuanyuan Zhou, Zhenhuang Su, Hairui Liu, Meng Li

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202514640