華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院吳永真教授/朱為宏教授團(tuán)隊(duì)與合作者針對(duì)有機(jī)空穴傳輸材料器件應(yīng)用中普遍面臨的電荷輸運(yùn)效率低、界面缺陷濃度高等問(wèn)題，在空穴傳輸分子上創(chuàng)新引入氰基膦酸單元，發(fā)展雙親性小分子空穴傳輸材料，通過(guò)動(dòng)態(tài)自組裝構(gòu)筑有序、超薄、表面超浸潤(rùn)薄膜，一石二鳥(niǎo)完美解決了器件應(yīng)用中載流子輸運(yùn)和界面缺陷控制兩大難題。研究工作以“Minimizing buried interfacial defects for efficient inverted perovskite solar cell”為題，華東理工大學(xué)為第一單位發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）上。圖1.“雙親性”小分子空穴材料動(dòng)態(tài)組裝“雙層”膜結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)表面超浸潤(rùn)、大面積制備與器件中層間界面缺陷控制有機(jī)空穴傳輸材料作為一類重要的有機(jī)半導(dǎo)體材料，廣泛應(yīng)用于有機(jī)發(fā)光二極和新型太陽(yáng)能電池器件中。有機(jī)半導(dǎo)體領(lǐng)域普遍認(rèn)為n-型的電子傳輸材料發(fā)展相對(duì)滯后，而p-型的空穴傳輸材料則相對(duì)成熟。其實(shí)不然，在光電器件應(yīng)用中有機(jī)空穴傳輸材料仍面臨諸多問(wèn)題，其中最突出的問(wèn)題是其低遷移率特性限制電荷輸運(yùn)性能。動(dòng)態(tài)錨定自組裝，構(gòu)筑有序超薄膜突破空穴輸運(yùn)瓶頸：為了解決這些問(wèn)題，華東理工大學(xué)的吳永真和朱為宏教授提出利用動(dòng)態(tài)錨定自組裝策略構(gòu)筑單分子層水平的均勻、有序、超薄電荷傳輸層，大幅度提升空穴輸運(yùn)效率，驗(yàn)證了自組裝超薄膜器件應(yīng)用的可行性（Chem. Commun., 2019, 55, 13239; Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1909509；中國(guó)發(fā)明專利：CN201910499186.2），并通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分子的連接單元和錨定基團(tuán)證實(shí)該策略的普適性（Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2103847；ACS Mater. Lett., 2022, 4, 1976; Natl. Sci. Rev. 2023, DOI: 10.1093/nsr/nwad057）。雙親性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)表面超浸潤(rùn)與界面缺陷控制：系統(tǒng)比較羧酸、磺酸、膦酸、硼酸、氰基乙酸等錨定基團(tuán)后，在最新的工作中設(shè)計(jì)了新一代氰基膦酸錨定有機(jī)空穴傳輸材料（圖1A）。強(qiáng)吸電子性氰基的引入增加了膦酸的去質(zhì)子能力和錨定基團(tuán)的親水性，使得該小分子材料具有獨(dú)特的雙親性特征，易溶于各種不同極性的溶劑，包括水、二甲基亞砜、N,N-二甲基甲酰胺、乙醇、異丙醇、乙酸乙酯、甲苯和氯苯等。這種超寬的可選溶劑窗口賦予材料靈活的加工方法和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。利用該雙親性小分子空穴傳輸材料，通過(guò)動(dòng)態(tài)錨定自組裝在透明導(dǎo)電基底氧化銦錫（ITO）上構(gòu)筑了“雙層”膜結(jié)構(gòu)，即“錨定自組裝有序單分子層”+“未錨定混亂無(wú)序覆蓋層”（圖1B）。發(fā)生化學(xué)錨定的自組裝有序單分子層能夠牢固的附著在ITO表面確保高效的空穴選擇與輸運(yùn)，而未錨定的混亂無(wú)序覆蓋層由于分子的雙親性和易溶解特征使其表面具有超浸潤(rùn)特性（圖1C），不僅有利于上層大面積薄膜的均勻制備，而且能有效降低層間界面缺陷濃度（圖1D-E）。解決載流子輸運(yùn)和界面缺陷難題，突破反式鈣鈦礦太陽(yáng)電池認(rèn)證效率紀(jì)錄：研究人員所發(fā)展的新型小分子空穴傳輸材料具有可錨定、易溶解、易加工、超浸潤(rùn)等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。基于這種新型有機(jī)空穴傳輸材料制備的反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)電池在第三方機(jī)構(gòu)的認(rèn)證效率達(dá)到25.39%（圖2A），為目前該類太陽(yáng)電池的最高認(rèn)證效率（圖2B）。此外，該新型有機(jī)空穴傳輸材料良好的浸潤(rùn)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2C）分別實(shí)現(xiàn)了23.4%和22.0%的效率。該類材料目前已申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專利（公開(kāi)號(hào)：CN115403619A）圖2. 新型有機(jī)空穴傳輸材料提升太陽(yáng)電池器件性能該論文是華東理工大學(xué)首次以第一通訊單位在Science期刊上發(fā)表的研究性論文，華東理工大學(xué)博士生張碩和葉方圓、吉林大學(xué)博士生王嘯宇以及華中科技大學(xué)陳銳博士為論文共同第一作者，華東理工大學(xué)吳永真教授和朱為宏教授、波茨坦大學(xué)Martin Stolterfoht博士、吉林大學(xué)張立軍教授、華中科技大學(xué)陳煒教授為論文通訊作者。研究工作得到了田禾院士和韓禮元教授的悉心指導(dǎo)，上海科技大學(xué)寧志軍教授、中科院化學(xué)所林禹澤研究員和上海交通大學(xué)王言博助理教授在材料表征方面給予了大力支持。該研究工作還得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、教育部材料生物學(xué)與動(dòng)態(tài)化學(xué)前沿科學(xué)中心、上海市科技重大專項(xiàng)、上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)計(jì)劃、費(fèi)林加諾貝爾獎(jiǎng)科學(xué)家聯(lián)合研究中心等項(xiàng)目資助。朱為宏（共同通訊作者）：朱為宏，現(xiàn)任華東理工大學(xué)副校長(zhǎng)、精細(xì)化工研究所所長(zhǎng)。國(guó)家杰出青年基金獲得者（2013年），科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目首席科學(xué)家，曾入選教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授（2015年）、中組部萬(wàn)人計(jì)劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才（2016年）、國(guó)務(wù)院特殊津貼（2018年）、上海市科技精英（2022年）、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才（2007年）、上海市學(xué)術(shù)帶頭人（2015年）。目前主要從事化學(xué)產(chǎn)品工程研究，涉及光敏化學(xué)品功能化及產(chǎn)品化。迄今已在Nature、Science、Nature Photonics、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem、Adv. Mater.、Matter、Nature Commum.、Energy Environ. Sci.、National Science Review、Sci. China. Chem.、CCS Chem.、AIChE J.、IECR 等期刊上發(fā)表 SCI論文330余篇，共被SCI引用近2.2萬(wàn)余次， H指數(shù)為78，科睿唯安化學(xué)領(lǐng)域“高被引科學(xué)家”（Highly Cited Researchers）。申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專利36項(xiàng)，其中28項(xiàng)已授權(quán)，曾獲國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)兩項(xiàng)（2019年，第一完成人；2007年，第三完成人）、上海市自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)兩項(xiàng)（2017年，第一完成人；2006年，第三完成人）、上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（2020年，第一完成人）、上海市牡丹獎(jiǎng)等。目前擔(dān)任中國(guó)化工學(xué)會(huì)染料專委會(huì)副主任委員、中國(guó)化工學(xué)會(huì)精細(xì)化工專業(yè)委員會(huì)常務(wù)委員等，并擔(dān)任Green Chemical Engineering 副主編、《過(guò)程工程學(xué)報(bào)》副主編、《影像科學(xué)與光化學(xué)》常務(wù)副主編、Science China Chemistry 編委、ACS Applied Bio Materials (ACS-ABM) 編委、Dyes and Pigments 編委、Green Energy and Environment 編委等。吳永真（共同通訊作者）：華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。2013年博士畢業(yè)于華東理工大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，之后在日本國(guó)立物質(zhì)材料研究所（NIMS）從事博士后研究，2016年回國(guó)工作。主要研究方向?yàn)橛袡C(jī)光電功能材料與器件。在Science、Nat. Energy、Nature Commum.、Matter、Angew、Chem. Int. Ed.等國(guó)際主流學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI收錄論文80余篇，被SCI他引11000余次，H指數(shù)45。入選科睿唯安交叉領(lǐng)域2019-2022年全球高被引學(xué)者，曾獲得國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（2019年，第三完成人）、上海市自然科學(xué)一等獎(jiǎng)（2017年，第三完成人）、中國(guó)化學(xué)會(huì)青年化學(xué)獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)。先后入選上海市東方學(xué)者、中國(guó)化學(xué)會(huì)“青年人才托舉工程”和國(guó)家自然科學(xué)基金委“優(yōu)秀青年科學(xué)基金”等人才項(xiàng)目資助。論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg3755圖1. “雙親性”錨定自組裝有機(jī)空穴傳輸材料和“雙層”膜結(jié)構(gòu)提升表面浸潤(rùn)性，提高鈣鈦礦光活性層薄膜質(zhì)量圖2. 新空穴傳輸材料減少鈣鈦礦活性層埋底界面缺陷、提升界面接觸圖3. 氰乙烯基膦酸基團(tuán)鈍化鈣鈦礦晶體表面深能級(jí)缺陷圖4. 新型有機(jī)空穴傳輸材料提升太陽(yáng)電池器件性能及穩(wěn)定性
