徐保民：聚合物空穴传输材料官能环的密集暴露以获得高效钙钛矿太阳电池

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近期国际顶级学术期刊《先进材料》（Advanced Materials，影响因子21.95）在线发表了南方科技大学材料科学与工程系徐保民讲座教授为通讯作者的学术论文《聚合物空穴传输材料官能环的密集暴露以获得高效钙钛矿太阳电池》（Intensive Exposure of Functional Rings of a Polymeric Hole-Transporting Material Enables Efficient Perovskite Solar Cells），详细介绍了课题组在钙钛矿太阳电池用无掺杂空穴传输材料的研究成果。

钙钛矿太阳电池（PSC）自问世以来，历经10年左右的快速发展，已经取得了23.3%的能量转换效率（PCE）。目前经典的空穴传输材料（HTM）spiro-OMeTAD，以及新近报道的PCE达到23.2%的DM，都需要通过掺杂处理来提高其空穴传输能力，进而获得高的光伏性能。然而，掺杂处理不仅会降低器件的长期稳定性，也会增加器件制备所需要的时间。为此，开发无掺杂的小分子或聚合物HTM成为一种需求，并且已经获得了长足的发展。当前，聚合物HTM的主要设计标准为1）高的空穴迁移率和2）合适的HOMO能级。虽说HOMO能级大小关系到“HTM/钙钛矿层”界面的电荷传递，但是本质上仍然属于HTM体材料的性能。而通过HTM的分子设计来实现“HTM/钙钛矿层”界面优化，这方面的报道还很少见。

徐保民教授课题组通过分子设计，将更多的具有加快电荷传递、钝化钙钛矿缺陷的官能单元充分暴露给钙钛矿层，进而实现对“HTM/钙钛矿层”界面的优化。具体策略是：通过缩短侧链的长度，使HTM膜中的分子呈现为edge-on（边朝上）排列模式，从而在单位界面面积上拥有更多的官能单元（更密）；另一方面，减少官能单元上的侧链，使官能单元与钙钛矿的距离降低（更近）。作为验证，课题组设计了如下图所示的聚合物DTB，并获得了短路电流密度为25.50 mA/cm2、PCE为19.68%的电池性能（权威机构认证值分别为25.75 mA/cm2和19.50%），这分别是无掺杂有机HTM的最高短路电流密度、无掺杂聚合物HTM的介孔结构PSC最高效率。

进一步的分析表明，聚合物DTB具有更高的空穴提取能力、更强的钙钛矿层缺陷钝化能力。

该论文的第一作者为课题组张罗正博士和刘畅博士，共同通讯作者为华盛顿大学、香港城市大学的Alex K.-Y. Jen教授。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201804028