新方法：采用寡聚物空穴传输材料提升反式钙钛矿太阳能电池的效率和重复性
以下文章来源于中国科学杂志社 ，作者中国科学化学
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华东理工大学吴永真教授团队提出了利用寡聚噻吩链和三苯胺单元构建低成本、稳定和重复性高的有机空穴传输材料的分子工程策略。基于最优化空穴传输材料四联噻吩的p-i-n型钙钛矿电池效率为17.69%，填充因子高达0.81。
反式(p-i-n)结构钙钛矿太阳能电池因其器件结构简单、迟滞效应小以及稳定性好等优点而得到广泛的关注。在反式钙钛矿电池中，空穴传输层具有十分重要的作用，如影响太阳光透过、电荷提取和钙钛矿膜的制备等。目前常用的PEDOT：PSS存在因能级不匹配导致的开路电压过低以及亲水性和酸性带来的稳定性差等问题。为了解决这些问题，许多课题组使用中性的p型聚合物或小分子代替PEDOT:PSS。但聚合物合成复杂、分子量分布宽、重复性差，不利于大规模应用。而小分子空穴传输层因对溶剂的容忍度差，在溶液加工过程中易被钙钛矿前驱体溶液破坏，从而对器件效率和重复性产生不利影响。
最近，华东理工大学吴永真教授团队提出了利用寡聚噻吩链和三苯胺单元构建低成本、稳定和重复性高的有机空穴传输材料的分子工程策略。三苯胺及其衍生物因具有高空穴提取能力和合适的HOMO能级，被广泛应用于钙钛矿电池空穴传输材料的设计与构筑；寡聚噻吩链的平面构型和分子内电荷离域有利于电荷传输和分子间相互作用，将二者的优势结合有助于突破传统空穴传输材料的局限性。
作者设计合成了3个分别以二联噻吩(BT)，四联噻吩(QT)和六联噻吩(HT)为桥链和甲氧基取代三苯胺为末端基团的空穴传输材料(图1)。实验发现，随着噻吩链的延长，分子的HOMO几乎没有变化，且均与钙钛矿能级相匹配，但溶解度却明显降低。他们使用DMF溶剂冲洗三者的空穴传输层，发现基于QT和HT的分子膜相比于BT具有显著提升的溶剂容忍性。导电率和时间分辨荧光光谱分析表明，随着噻吩链的延长，薄膜对空穴的传输能力明显增加，而对钙钛矿中空穴的提取效率却有所下降。综合分析，QT在溶剂容忍度、导电率和界面电荷传输等方面具有相对优越的性能，成为最优化空穴传输材料。基于QT的p-i-n型钙钛矿电池效率为17.69%，填充因子高达0.81。研究还发现，基于寡聚物电荷传输材料器件的重现性要明显优于基于聚合物空穴传输材料的器件。
图1 反式钙钛矿太阳能电池器件结构以及寡聚物空穴传输材料BT、QT和HT的分子结构。
详见：Erpeng Li, Wenqin Li, Linchang Li, Hao Zhang, Chao Shen, Zihua Wu, Weiwei Zhang, Xiaojia Xu, He Tian, Weihong Zhu, Yongzhen Wu. Efficient p-i-n Structured Perovskite Solar Cells Employing Low-Cost and Highly Reproducible Oligomers as Hole Transporting Materials. Sci. China Chem.，2019, https://doi.org/10.1007/s11426-018-9452-9
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吴永真 华东理工大学特聘教授，博士生导师。2013年于华东理工大学获得博士学位，随后赴日本国立物质材料研究所从事博士后研究，主要研究方向为新型太阳能电池材料与器件。迄今已在Science、Nat. Energy、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater. 等期刊上发表SCI收录论文50篇，被SCI他引5000余次，研究工作曾获2017年度上海市自然科学一等奖1项（排名第三）。先后入选上海市“东方学者”（2016年）和中国化学会“青年人才托举工程”（2017年）；2018年获得国家自然科学基金委“优秀青年科学基金”资助。