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大連化物所劉生忠Angew：自組裝π共軛空穴選擇性分子，為PSCs打造抗UV高效“利器”

發(fā)表時(shí)間：2025-06-24 13:49

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主要內(nèi)容

紫外線(xiàn)（UV）光誘導(dǎo)的降解，尤其是埋底界面處的降解，長(zhǎng)期制約著鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）的穩(wěn)定性，嚴(yán)重阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用。不過(guò)，由中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所劉生忠教授和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)楊上峰教授帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與合成，為解決這一難題提供了新方案。

團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出一種新型噻吩修飾的自組裝π共軛空穴選擇性分子——（4 -（3,6 - 雙（5 - 甲基噻吩 - 2 - 基）- 9H - 咔唑 - 9 - 基）苯基）膦酸（Me - TPCP），并利用該分子制備出具備紫外線(xiàn)穩(wěn)定性的高效鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。

在分子設(shè)計(jì)方面，團(tuán)隊(duì)同時(shí)引入苯基和噻吩基團(tuán)，有效增強(qiáng)了分子的共軛程度。這一設(shè)計(jì)既保護(hù)了咔唑核心與膦酸基團(tuán)間脆弱的化學(xué)鍵，又提升了分子的固有紫外線(xiàn)穩(wěn)定性，還增強(qiáng)了其空穴傳輸能力。此外，接枝在咔唑上的噻吩能與鈣鈦礦中的Pb2?離子發(fā)生配位作用，增強(qiáng)了鈣鈦礦與空穴選擇性分子間的結(jié)合力，使鈣鈦礦薄膜結(jié)晶度顯著提高，缺陷密度降低，進(jìn)而有效抑制了其在紫外線(xiàn)照射下的降解。

團(tuán)隊(duì)還通過(guò)引入甲基基團(tuán)，進(jìn)一步增強(qiáng)了分子穩(wěn)定性，并精細(xì)調(diào)節(jié)了Me - TPCP的能級(jí)，降低了界面能壘，促進(jìn)了更高效的空穴提取。憑借這些優(yōu)勢(shì)，基于Me - TPCP的反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件效率提升至25.62%，遠(yuǎn)高于對(duì)照器件的23.85%。同時(shí)，這些器件在紫外線(xiàn)穩(wěn)定性、運(yùn)行穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性方面均表現(xiàn)優(yōu)異。

團(tuán)隊(duì)還報(bào)道了采用噻吩修飾的π共軛自組裝單分子層（SAMs）——TPCP和Me - TPCP作為空穴選擇性層（HSLs），制備高效且抗紫外線(xiàn)的反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（PSCs）的成果。這兩種新型SAMs均以苯基作為π共軛連接基團(tuán)，在保護(hù)咔唑結(jié)構(gòu)脆弱化學(xué)鍵的同時(shí)，構(gòu)建了更高效的電荷傳輸路徑。在分子頂部引入噻吩基團(tuán)進(jìn)一步增強(qiáng)了π共軛性，提高了分子抗紫外線(xiàn)能力，使其能與鈣鈦礦中未配位的Pb2?離子相互作用，增強(qiáng)埋底界面結(jié)合能，改善鈣鈦礦晶體質(zhì)量，減少缺陷。而在Me - TPCP分子頂部引入甲基基團(tuán)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其能帶結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)節(jié)，提高了分子穩(wěn)定性。與鈣鈦礦更優(yōu)的能級(jí)排列有助于降低空穴提取勢(shì)壘。

合理的分子設(shè)計(jì)工程帶來(lái)了紫外線(xiàn)穩(wěn)定性提升、缺陷鈍化能力增強(qiáng)以及優(yōu)異的空穴提取性能，使得基于Me - TPCP的器件效率顯著高于基于4PACZ的對(duì)照器件（25.62% vs 23.85%），且在紫外線(xiàn)穩(wěn)定性、運(yùn)行穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性方面均有顯著提升。這種創(chuàng)新的分子設(shè)計(jì)策略，為開(kāi)發(fā)適用于大型戶(hù)外應(yīng)用的高效且抗紫外線(xiàn)的反式鈣鈦礦太陽(yáng)能電池提供了新思路。

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文獻(xiàn)信息

Self-Assembled π-Conjugated Hole-Selective Molecules for UV-Resistant High-Efficiency Perovskite Solar Cells

Shantao Zhang, Xue Wang, Yu Wu, Xinyu Li, TianAo Hou, Dehan Li, Wenjing Chen, Jianyu Li, Rongyao Lv, Yue Zhang, Zhengguo Xiao, Tao Chen, Shuang Chen, Zhimin Fang, Shengzhong (Frank) Liu, Shangfeng Yang

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202508782