近日，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《Science》以研究長文形式刊發(fā)我?；瘜W(xué)與化工學(xué)院李忠安教授課題組與香港城市大學(xué)朱宗龍教授課題組合作的最新研究成果《Stabilized hole-selective layer for high-performance inverted p-i-n perovskite solar cells》。李忠安教授和香港城市大學(xué)朱宗龍教授為本文的共同通訊作者，香港城市大學(xué)李稹博士、我?；瘜W(xué)與化工學(xué)院孫祥浪博士（現(xiàn)為香港城市大學(xué)博士后）、美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室鄭曉鵬博士（現(xiàn)為中國科學(xué)院大學(xué)副教授）和香港城市大學(xué)李博博士為本文的共同第一作者。
鈣鈦礦太陽能電池(PVSCs)具有高效率、低成本和易制備的特點(diǎn)，被廣泛認(rèn)為是最具商業(yè)潛力的新一代光伏技術(shù)。近來，反式結(jié)構(gòu) (p-i-n) PVSCs由于其制備工藝簡單、遲滯效應(yīng)不明顯、適合制備柔性和疊層器件的優(yōu)點(diǎn)而引起了廣泛關(guān)注。咔唑類磷酸自組裝單分子層（SAM）界面材料具有高空穴選擇性、高空穴傳輸速率以及低界面陷阱態(tài)密度等優(yōu)點(diǎn)，在單結(jié)反式和串聯(lián)PVSCs中都取得了非常優(yōu)異的器件表現(xiàn)，其中單節(jié)器件認(rèn)證能量轉(zhuǎn)換效率 (PCE) 已超過25.4%。然而，SAM空穴傳輸材料還存在種類稀少、設(shè)計策略不清晰等挑戰(zhàn)。
PVSCs要想實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用仍面臨著長期穩(wěn)定性較差的問題。與傳統(tǒng)的聚合物和金屬氧化物空穴傳輸材料相比，超薄的SAM空穴傳輸層還存在較差的熱穩(wěn)定性。這是因?yàn)镾AM材料雖然通過錨定基團(tuán)與基底形成化學(xué)鍵完成了吸附，但在高溫條件下這些化學(xué)鍵會發(fā)生斷裂，進(jìn)而破壞界面，降低器件穩(wěn)定性。目前，如何解決由SAM在高溫下（>65℃）的界面失穩(wěn)而導(dǎo)致的器件穩(wěn)定性下降問題還沒有明確的解決方案。因此，根據(jù)光伏可靠性測試標(biāo)準(zhǔn)（即ISOS和IEC 61215標(biāo)準(zhǔn)），研究SAM器件在高溫條件下（65°至85℃）最大功率點(diǎn)以及開路電壓下的器件穩(wěn)定性至關(guān)重要，這對于SAM的分子設(shè)計和器件優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。
圖|SAM的分子結(jié)構(gòu)及其反式鈣鈦礦光伏器件J-V曲線與熱穩(wěn)定性圖.
針對上述難題，李忠安教授課題組設(shè)計合成了一種新型的SAM材料（MeO-4PADBC，圖1A），并與香港城市大學(xué)朱宗龍教授團(tuán)隊(duì)合作將其與NiOx納米粒子相結(jié)合成功制備出高效且穩(wěn)定的空穴傳輸層（圖1B）。與商業(yè)化咔唑類明星SAM材料MeO-2PACz（圖1A）相比，MeO-4PADBC分子中的二苯并咔唑骨架較為扭曲，使其在修飾甲氧基后仍能保持較大的偶極矩 (2.35 Debye)，而MeO-2PACz的偶極矩僅有0.2 Debye。MeO-4PADBC不僅可以高密度地錨定在NiOx表面形成穩(wěn)定的界面，還能與鈣鈦礦層之間形成強(qiáng)相互作用，從而產(chǎn)生理想的能級排列、高空穴選擇性、快速空穴轉(zhuǎn)移速率以及低界面缺陷態(tài)密度。
以NiOx/MeO-4PADBC作為空穴傳輸層，制備的活性層帶隙為1.53 eV的反式PVSCs實(shí)現(xiàn)了25.6%的認(rèn)證PCE，遠(yuǎn)好于單獨(dú)由NiOx（21.6%）或MeO-4PADBC（24.2%）制備的對比器件（圖1C）。該空穴傳輸層還具有優(yōu)異的通用性，用于帶隙為1.68 eV和1.80 eV的活性層也分別實(shí)現(xiàn)了22.7%和20.1%的器件PCEs。令人欣喜的是，由于形成三齒化學(xué)鍵，NiOx/MeO-4PADB空穴傳輸層的界面熱穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，其熱降解活化能是常規(guī)結(jié)構(gòu)界面ITO/MeO-4PADBC的3倍。因此，1.53 eV 反式PVSCs在65℃下連續(xù)工作1200小時后仍能維持>90%的初始效率，遠(yuǎn)好于單獨(dú)由NiOx或MeO-4PADBC制備的對比器件（圖1D-F）。進(jìn)一步地，由阿倫尼斯公式可以推算，基于NiOx/MeO-4PADBC制備的器件在25 ℃下連續(xù)工作超過10個月后仍能維持80%以上初始效率。值得說明的是MeO-4PADBC自身作為空穴傳輸層也實(shí)現(xiàn)了24.2%的PCE（圖1C），且器件在65℃下連續(xù)工作1200小時后仍能維持>65%的初始效率（圖1D），優(yōu)于大多數(shù)已報道的SAMs。
該工作為設(shè)計高效、穩(wěn)定的SAM空穴傳輸層提供了理論指導(dǎo)，將有助于推動反式PVSCs的商業(yè)化應(yīng)用。該工作的開展得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、湖北省杰出青年基金、海外高層次人才引進(jìn)經(jīng)費(fèi)等支持。
李忠安，三級教授，博士生導(dǎo)師，國家級青年人才，湖北省杰出青年基金獲得者，愛思唯爾中國高被引學(xué)者。2004年本科畢業(yè)于武漢大學(xué)，2009年博士畢業(yè)于武漢大學(xué)（導(dǎo)師：李振教授），2009-2016年，在美國西雅圖大學(xué)從事博士后研究（合作導(dǎo)師：Alex Jen教授）。2016年9月加入我校化學(xué)與化工學(xué)院高分子科學(xué)與工程研究所開展獨(dú)立研究，主要從事有機(jī)光電功能材料及其光伏和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究。近5年來，以通訊/第一作者在Science、Prog. Polym. Sci.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊上發(fā)表SCI論文50余篇。先后獲得湖北省化學(xué)化工青年創(chuàng)新獎（2021）、Mater. Chem. Front. 期刊年度優(yōu)秀審稿人（2021）、全國優(yōu)秀博士學(xué)位論文提名（2012）、湖北省優(yōu)秀博士學(xué)位論文（2011）等榮譽(yù)。目前，擔(dān)任Chin. Chem. Lett.和Symmetry-Basel期刊編委以及Mater. Chem. Front.期刊青年編委等。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade9637
