鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的能量轉(zhuǎn)換效率（PCE）已達(dá)到26.1%。高效穩(wěn)定的PSC的制備不僅依賴于高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜，還依賴于優(yōu)異的中間層和電荷傳輸層。對于利用氧化物電子傳輸層（如TiO₂或SnO₂）的PSC，設(shè)計具有足夠高HOMO能級的空穴傳輸層（HTL）對于確保器件內(nèi)的有效空穴提取至關(guān)重要。理想的HTL還應(yīng)具有良好的特性，包括良好的成膜性、空穴傳輸、在加熱下抵抗形態(tài)降解以及有效緩解內(nèi)部和外部物種擴散。與小分子半導(dǎo)體相比，聚合物半導(dǎo)體的分子量范圍通常為10⁴至107。除了表現(xiàn)出典型的彈性形變外，聚合物材料在加熱到其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上時還表現(xiàn)出高彈形變，從而產(chǎn)生具有增強的機械強度和改進(jìn)的抗斷裂性的薄膜。盡管在PSC中對不同的半導(dǎo)體聚合物進(jìn)行了詳盡的實驗，但迄今為止，沒有一種聚合物同時表現(xiàn)出PCE超過24%和在85°C下的耐久性。

  近期，浙江大學(xué)化學(xué)系王鵬教授課題組基于密度泛函理論（DFT）計算，將氧雜[5]螺烯（O5H）、3,4-乙撐二氧噻吩（EDOT）、10-（2-辛基十二烷基）-10H-吩惡嗪（POZ）和3,4-乙撐二氧噻吩（EDOT）取代一半的O5H，得到一種四元交替共聚物（p-O5H-E-POZ-E, 圖1）。理論計算表明，p-O5H-E-POZ-E的HOMO能級與spiro-OMeTAD相當(dāng)，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（268°C）顯著超過spiro-OMeTAD（153°C）和PTAA（118°C）。研究發(fā)現(xiàn)，高溶解性的p-O5H-E-POZ-E可以與空氣摻雜輔助試劑雙（三氟甲磺�；﹣啺蜂嚕�LiTFSI）共混，在各種襯底上形成均勻致密的薄膜，具有良好的電荷傳輸性。以p-O5H-E-POZ-E為HTL的PSC實現(xiàn)的最高PCE為25.7%，平均PCE為24.9%，在同樣條件下，超過spiro-OMeTAD（平均PCE為24.0%）和PTAA（平均PCE為21.6%）的對照電池。重要的是，基于p-O5H-E-POZ-E的PSC在85 °C下老化1000 h，PCE保有率為93%; 在40 ^oC最大功率點（MPP）追蹤500 h, PCE保有率為98%，顯著優(yōu)于對照電池。此外，全面的器件降解分析表明: p-O5H-E-POZ-E因具有高彈性模量、高斷裂強度、高內(nèi)聚能密度、高疏水性和低離子擴散性等關(guān)鍵性能，從而賦予PSC優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和操作穩(wěn)定性。該研究為同時具有溶液可加工性、優(yōu)異的電荷傳輸性能和力學(xué)性能的半導(dǎo)體聚合物的設(shè)計提供了獨特的視角。

圖1. 兩種基于螺烯的半導(dǎo)體聚合物和對照共聚物的化學(xué)結(jié)構(gòu)，以及用于鈣鈦礦太陽能電池的最先進(jìn)的空穴傳輸材料。

圖2. 能級和光誘導(dǎo)的空穴提取

圖3. LiTFSI輔助空氣摻雜有機半導(dǎo)體

圖4. 光伏性能和表面形態(tài)

圖5. 太陽能電池在85 °C下的熱穩(wěn)定性和器件降解分析

圖6. 老化后的太陽能電池中鈣鈦礦層的形態(tài)與水滲透

圖7. 太陽能電池的操作穩(wěn)定性和HTL中的離子擴散

  該工作以“A helicene-based semiconducting polymer for stable and efficient perovskite solar cells”為題發(fā)表Cell Press旗下材料領(lǐng)域頂級期刊Matter上（Matte 2023,6, 1-19）。文章的第一作者是浙江大學(xué)的2019級博士生賀麗飛和張雨燕，通訊作者為王鵬教授。該研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)項目和湖南省科技創(chuàng)新項目的支持。

  原文鏈接：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00463-0

  下載：A helicene-based semiconducting polymer for stable and efficient perovskite solar cells