【IM交叉学科材料研究论文】香港城市大学叶轩立教授团队：侧链修饰的三苯胺基聚合物空穴传输层材料助力高效稳定倒置钙钛矿太阳能电池

要点一：图2展示了Poly-TPD和S-Poly-TPD不同的分子结构和空间堆叠。Poly-TPD和S-Poly-TPD从结构上看相似，区别在于前者的CH₃末端单元被-CH-CH₃和-CH₂-CH₃所取代。从图2e, f来看，GIWAXS结果显示，S-Poly-TPD形成的薄膜在面外方向展现出更强的π–π信号，表明其拥有更高的结晶度和更密集的分子间堆积。图2g, h表明S-Poly-TPD (9.7 × 10^-4 cm² V^-1s^-1)的空穴迁移率比Poly-TPD (2.1 × 10^-4 cm²V^-1 s^-1)高四倍左右。

图2. a）Poly-TPD和b）S-Poly-TPD的分子结构。密度泛函理论（DFT）计算了c）Poly-TPD和d）S-Poly-TPD的堆积模型。旋涂e）Poly-TPD和f）S-Poly-TPD薄膜的掠入射广角X射线散射（GIWAXS）图像。g）基于Poly-TPD和S-Poly-TPD的纯空穴器件的暗J-V曲线。插图是采用的设备结构。h） 空穴传输层的紫外光电子能谱（UPS）。插图表格显示了最高的被占分子轨道（HOMO）和最低的未被占分子轨道（LUMO）。表面形貌与晶相。

要点二：图3表明，从形貌上看，Poly-TPD基钙钛矿薄膜包含边界模糊的不均匀钙钛矿晶粒（图3a，而S-Poly-TPD基钙钛矿薄膜完全覆盖并有良好规则的钙钛矿晶粒（图3b）。物相上，S-Poly-TPD薄膜在平面外方向的信号更集中（图3d），表明3Dα相MAPbI₂Br(SCN)_0.12晶体的（100）晶格平面几乎平行于衬底，拥有更好的结晶性。图3e, f说明S-Poly-TPD和钙钛矿之间有更强的相互作用，带来了更好的缺陷钝化作用。

图3. 基于a）Poly-TPD和b）S-Poly-TPD的MAPbI₂Br(SCN)_0.12钙钛矿薄膜的SEM图像。基于c）Poly-TPD和d）S-Poly-TPD HTL的MAPbI₂Br(SCN)_0.12钙钛矿薄膜的GIWAXS图像。e）基于不同HTL的钙钛矿薄膜的稳态光致发光（PL）光谱。f）钙钛矿薄膜中铅信号的X射线光电子能谱（XPS）谱。

要点三：根据FTIR结果，我们首次证明电荷传输材料中烷基单元对钙钛矿有钝化效应。烷基链的给电子能力可以促进高质量的无铅钙钛矿薄膜的形成。增加的-CH₃密度以及-CH-CH₃和-CH₂-CH₃单元与苯环之间的距离减小，促进了S-Poly-TPD钙钛矿钝化效果的增强，而PTAA和Poly-TPD的钙钛矿钝化效果是由它们的烷基赋予的。

图4. 纯Poly-TPD和S-Poly-TPD薄膜的傅里叶变换红外光谱（FTIR）范围为a）4000-1750cm^-1和b）1800-800 cm^-1。原始MAPbI₂Br(SCN)_0.12膜和MAPbI₂Br(SCN)_0.12膜与Poly-TPD和S-Poly-TPD HTL的FTIR光谱在c）4000-1750 cm^-1和d）1800-800 cm^-1范围内。虚线标记了特征振动信号的位置。

要点四：性能最好的S-Poly-TPD基器件实现了15.1%的高PCE和16.7 mA cm^-2的短路电流密度（J_sc），1.17 V的V_oc和77.0%的FF。相比之下，基于Poly-TPD的器件的优化效率限制在14.1%（J_sc=16.5 mA cm^-2，V_oc=1.12V，FF=75.7%）。光照11.0小时后，基于Poly-TPD器件的 PCE下降至初始值的90%。相比之下，S-Poly-TPD基钙钛矿电池在45.0小时的测试后依然保留了90%的初始PCE，这是因为S-Poly-TPD对钙钛矿稳定性的增强作用。

图5. a） J–V特性，b）外部量子效率（EQE）光谱，c）最大功率点（MPP）跟踪（在氮气手套箱中在约60℃和一个太阳恒定照明下进行），以及d）以Poly-TPD和S-Poly-TPD为HTL的MAPbI₂Br(SCN)_0.12基倒置钙钛矿太阳能电池的电化学阻抗谱（EIS）特性。

要点五：图6展示了基于不同传输层的常规带隙器件的性能和效率统计图。基于S-Poly-TPD的倒置钙钛矿显示，基于(FAPbI₃)_0.92(MAPbBr₃)_0.08薄膜的常规带隙倒装器件的PCE达到了创纪录的21.3%，V_oc为1.08 V，是同期基于Poly-TPD系列3D倒装钙钛矿器件的最佳效率，也具有更好的设备稳定性。

图6. a） 以Poly-TPD和S-Poly-TPD为HTL的(FAPbI₃)_0.92(MAPbBr₃)_0.08基倒装钙钛矿器件的J–V特性和b）EQE光谱。插图表格显示了光伏参数。c） 含Poly-TPD和S-Poly-TPDHTL的(FAPbI₃)_0.92(MAPbBr₃)_0.08基倒装钙钛矿器件的PCE统计数据。d） 将我们的结果与最近报道的基于PTAA和Poly-TPD的3D倒装钙钛矿器件进行比较。