近日，伟德bv1946官网張立軍教授與華東理工大學、德國波茨坦大學、華中科技大學的⏭➰者⏭➰，實驗研究和理論計算相結合，在反式鈣钛礦太陽能電池空穴傳輸層設計方面取得重要進展。⏭➰研究成果以“Minimizing buried interfacial defects for efficient inverted perovskite solar cells”為題，于2023年4月27日發表于Science 380, 404 (2023)。
有機空穴傳輸材料作為一類重要的有機半導體材料，被廣泛應用于有機發光二極管和新型太陽能電池器件。有機半導體領域普遍認為n型的電子傳輸材料發展相對滞後，而p型的空穴傳輸材料則相對成熟。在光電器件應用中有機空穴傳輸材料仍面臨諸多問題，其中最突出的問題是其低遷移率特性限制了電荷輸運性能。
為解決這個挑戰問題，⏭➰團隊實驗研究和理論計算相結合，提出在空穴傳輸分子上創新引入氰基膦酸單元，發展雙親性小分子空穴傳輸材料（(2-(4-(bis(4-methoxyphenyl)amino)phenyl)-1-cyanovinyl)phosphonic acid，即MPA-CPA，如圖1A），通過動态自組裝構築有序、超薄、表面超浸潤薄膜（圖1B-E），從而解決了器件應用中載流子輸運和界面缺陷控制兩大難題（圖1F-H）。
圖1. “雙親性”錨定自組裝有機空穴傳輸材料和“雙層”膜結構提升表面浸潤性，提高鈣钛礦光活性層薄膜質量
⏭➰團隊通過原子尺度的第一性原理材料模拟揭示了鈣钛礦深能級缺陷的協同鈍化機理：氰基的引入能夠進一步加強原有膦酸基團對鈣钛礦表面鉛相關深能級缺陷的鈍化能力，形成一種“螯合”的協同鈍化晶體構型（圖2A）。電子局域函數的分布圖表明了氰基與膦酸基團與缺陷鉛原子明顯的成鍵行為（圖2C），這種對缺陷鉛原子周圍八面體配位環境的補齊是雙親性分子顯示出優秀缺陷鈍化能力的主要原因。投影态密度的計算結果顯示深缺陷能級通過與雙親性分子的成鍵鈍化作用移動到了導帶與價帶内部（圖2B）。
圖2. 氰基膦酸基團鈍化鈣钛礦晶體表面深能級缺陷
基于這種新型有機空穴傳輸材料制備的反式結構鈣钛礦太陽電池在第三方機構的認證效率達到25.39%（圖3A），為目前該類太陽電池的最高認證效率（圖3B）。此外，該新型有機空穴傳輸材料良好的浸潤性十分有利于制備大面積的器件，1 cm2的器件和10 cm2的模組（圖3C）分别實現了23.4%和22.0%的效率。
圖3. 新型有機空穴傳輸材料提升太陽電池器件性能
華東理工大學博士生張碩和葉方圓、伟德bv1946官网博士生王嘯宇以及華中科技大學陳銳博士為論文共同第一作者，華東理工大學吳永真教授和朱為宏教授、伟德bv1946官网張立軍教授、德國波茨坦大學Martin Stolterfoht博士和華中科技大學陳炜教授為論文通訊作者。該工作得到了國家傑出青年科學基金等項目的資助，以及伟德bv1946官网高性能計算中心提供的計算資源➿⚽✨➿。
論文全文鍊接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg3755
