基于两亲结构的高迁移率空穴传输材料的设计、合成及其在钙钛矿太阳能电池中的界面特性研究

In terms of the interfacial mismatching (e.g. large surface-energy gap) between highly hydrophobic hole-transporting materials (HTM) and hydrophilic perovskite layer in perovskite solar cell (PSC) and consequent obstacles to fabricate large-scale, stable devices, in this project, with the theoretical calculation, we propose to prepare a series of amphiphilic HTM combining appropriate energy level, excellent pristine hole-mobility and interfacial compatibilization via introducing high mobility sulfur-rich conjugated units and donor units with various electron-donating capability, furthermore, attaching alkyl cations on the molecular skeletons, realizing large-area, good HTM /perovskite layer contact and efficient interfacial charge extract and transport via optimizing the interfacial regulation strategies. Moreover, we will investigate the interfacial properties and charge-transfer kinetic process by surface analysis techniques (e.g. water contact angle, SEM), time-resolved photophysical and electrical techniques, etc. And then, with the aid of theoretical calculation and simulation, the intrinsic relationship among molecular structure, interfacial microstructure as well as device performance will be disclosed, providing theoretical and experimental basis for finally achieving large-scale, efficient and durable PSC.

针对目前钙钛矿太阳能电池（PSC）中存在的高疏水性空穴传输材料（HTM）与亲水性钙钛矿材料之间的界面不匹配问题（如表面能差别大）以及由此所带来的制备大尺寸稳定器件的问题，本项目中，拟结合理论计算，通过引入具有高迁移率的富硫共轭单元和具有不同给电子能力的给体单元，并进一步在分子骨架上引入烷基阳离子，制备兼具合理的能级结构、优良本征空穴迁移率和界面增容作用的两亲型空穴传输材料，并通过界面调控策略的优化，实现HTM层与钙钛矿层的大面积良好接触以及有效的界面电荷提取和传输。同时，借助水接触角、扫描电镜等表面分析技术、时间分辨光物理/电物理技术等考察HTM的界面特性及电荷转移动力学过程。并进一步结合理论计算与模拟，揭示分子结构-界面微结构-器件性能之间的关系，为最终获得大尺寸高效稳定的PSC提供理论基础和实验依据。

该项目中，我们自主研发了一系列全新结构的吩噁嗪基空穴传输材料，其在分子结构设计方面具有首创性。且该系列材料的成本可以控制在19~59美元/克之间，远远低于目前商业化的空穴传输材料Spiro-OMeTAD（约500美元/克）和PTAA（约2000美元/克）。另外，这类吩噁嗪基功能材料作为非掺杂HTMs应用于反式钙钛矿太阳能电池中，能够获得最高81.7%的填充因子，最高21.85%的功率转化效率，这是目前基于无掺杂小分子HTMs的最高效率。而且申请人借助单晶X射线衍射分析，首次发现这类吩噁嗪基HTMs具有独特的自组装模式，并因此展现出特异性的薄膜吸收、热相转变和薄膜形貌，并获得了良好的电荷提取和传输能力，最终获得了一系列高效稳定的PSCs。而且，我们将这类吩噁嗪基空穴传输材料创新性地应用于NiOx空穴传输层与钙钛矿之间的界面桥连层，起到了调控功函，抑制氧化镍表面活性相的作用，并获得了器件光伏性能的整体提高。截止目前，我们已获得两项以项目负责人以第一发明人的授权专利，并以第一作者、通讯作者将研究成果发表于化学和能源材料类顶级期刊上（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60(37), 20437.；Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1901268.; J. Energy Chem. 2021, 67, 797）。需要说明的是，针对该吩噁嗪基材料体系的系统性研究工作正在逐步完成，相关工作正在论文准备阶段。另外，我们还开发了一种改善空穴传输材料与钙钛矿层界面能失配的界面调控策略，不仅能够提高器件的开路电压，而且能够改善上层钙钛矿的结晶状态，应用于大面积器件中，最高可获得约17%的功率转换效率，相关工作也正在论文投稿阶段。总之，不管是新型吩噁嗪基空穴传输材料体系的发明还是界面调控策略的开发，对于高效稳定大面积钙钛矿太阳能电池的产业化发展，均具有重要的奠基意义。