特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。倒置鈣鈦礦太陽能電池 (PSC) 在器件耐久性、與串聯結構的兼容性以及市場整合潛力方面均優于普通太陽能電池。基于分子的選擇性接觸已成為確保高效倒置鈣鈦礦太陽能電池的關鍵組成部分。這些分子總是由一個共軛核心和雜原子取代組成，以提供理想的載流子傳輸能。倒置 PSC 中使用的分子接觸最成功的共軛核心僅限于咔唑和三苯胺（及其衍生物），它們都是 N 取代的雜環結構。圍繞這兩個主鏈，人們開展了廣泛的分子結構優化研究，例如側鏈工程、雜原子插入和功能團定制。2、雜原子取代結構存在結構不穩定的問題，影響PSC的長期穩定性雜原子取代的結構完整性會降低，導致潛在的結構不穩定性，尤其是在偏壓和照明等外場下。在保持高電子性能的同時實現分子接觸的更加惰性的共軛核心對于PSC的長期穩定性至關重要，這是其商業化的主要障礙。 有鑒于此，浙江大學薛晶晶、西湖大學王睿等人報道了一種沒有雜原子取代的近稠合多芳族核心結構，與傳統的雜原子取代核心結構相比，它具有更優異的載流子傳輸和選擇性。這種核心結構產生了相對化學惰性和結構剛性的分子接觸，大大提高了鈣鈦礦太陽能電池的效率和耐用性。在不同的加速老化測試中，冠軍器件的效率高達 26.1%，壽命大大提高。作者設計了一種新型分子結構Py3， Py3分子具有高結構剛度和優良的電子特性，可以提高器件性能。作者深入探討了Py3分子結構剛度改善機制，通過多種表征共同證實了Py3的分子設計和自組裝特性顯著提高了其電子性能和界面穩定性。 作者評估了Py3作為選擇性接觸層在鈣鈦礦太陽能電池(PSC)中的光伏性能，并與傳統的2PACz進行了比較，證明了Py3在提高PSC性能和穩定性方面的潛力。作者報道了新型Py3分子，該分子采用了獨特的芘共軛核心，沒有雜原子取代，這在之前用于選擇性分子接觸的分子中是前所未有的。這種結構設計提供了化學穩定性和構象剛性，有助于構建更安全、更有效的分子界面，以實現電荷的有效提取。2、所開發的分子顯著提高了PSC對外部刺激的抵抗力和長期穩定性Py3分子在界面處展現出卓越的電子特性，這些特性的優化顯著提升了分子接觸的性能，使得使用Py3構建的倒置PSC實現了26.1%的光電轉換效率（PCE），并且在加速老化測試中顯示出超過10,000小時的預計T90。作者設計了一種新型分子結構Py3，以最小的近緣稠合多環芳烴系統取代傳統共軛核心，用于構建分子接觸。Py3分子具有高結構剛度和優良的電子特性，能夠促進電荷流動，且在溶液中易于處理。與2PACz相比，Py3展現出更高的平均表面電流信號，表明其電荷傳輸能力更強。核磁共振(NMR)光譜測試顯示，Py3在外界刺激下具有更好的分子穩定性，老化試驗后NMR光譜幾乎不變，而2PACz則出現降解。XRD測量結果表明，Py3薄膜具有更強的π-π堆積模式，對熱應力和有機溶劑DMF具有更好的抵抗力，有助于維持界面結構穩定，抑制非輻射載流子復合，從而提高器件性能。 接著，作者深入探討了Py3分子結構剛度改善機制，通過ssNMR和溫度相關拉曼光譜分析，發現Py3具有更強的π-π相互作用和分子堆積，導致其自組裝框架剛性增強。與2PACz相比，Py3的化學位移變化更大，表明其屏蔽效應更明顯，且在溫度變化下化學位移變化較小，表明其π-π相互作用能遠高于2PACz。拉曼光譜分析顯示，Py3的環呼吸模式峰寬隨溫度變化較小，表明其非諧相互作用被抑制。偏振FTIR光譜分析表明，Py3分子在加熱后仍能保持垂直取向，而2PACz則發生取向變化。密度泛函理論計算進一步證實了Py3在界面處的電荷離域，有助于載流子傳輸。時間分辨光致發光測量結果也表明，Py3在電荷提取方面優于2PACz。這些結果表明，Py3的分子設計和自組裝特性顯著提高了其電子性能和界面穩定性。 最后，作者評估了Py3作為選擇性接觸層在鈣鈦礦太陽能電池(PSC)中的光伏性能，并與傳統的2PACz進行了比較。實驗結果表明，使用Py3的PSC器件實現了26.1%的光電轉換效率(PCE)，顯著高于2PACz基器件的23.1%。Py3的引入改善了界面載流子傳輸，減少了界面聲子散射，并且與鈣鈦礦具有理想的能帶排列，抑制了界面處的電荷復合。此外，Py3基器件在加速老化測試中表現出卓越的熱穩定性和光照穩定性，3000小時后仍保持了95%以上的初始PCE，預計T90達到10280小時。這些結果證明了Py3在提高PSC性能和穩定性方面的潛力，有望推動高效穩定PSC的商業化進程。 總之，本文報告了一種近稠合多環芳烴結構，可替代常用的雜原子取代共軛核心，用于構建PSC中的基于分子的選擇性接觸。廣泛的電子離域與組裝分子接觸的高結構剛度相結合，使電荷傳輸效率與結構耐久性相一致，而這正是限制 PSC 壽命的長期問題。這種配方將大大擴展 PSC 和其他分子電子器件中選擇性接觸設計的分子庫，并鼓勵超越雜原子取代慣例的研究。這種分子設計的化學和結構可靠性有望為PSC的商業化做出貢獻。Zhao, K., Liu, Q., Yao, L. et al. peri-Fused polyaromatic molecular contacts for perovskite solar cells. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07712-6
