保形键合分子界面延迟碘迁移制备高稳定性的钙钛矿太阳能电池
性能优异的n-i-p型钙钛矿太阳能电池通常依赖双(三氟甲磺酰)亚胺锂(Li-TFSI)和4-叔丁基吡啶(tBP)共掺杂提高spiro-OMeTAD的空穴迁移率和载流子电导率。然而，这些吸湿性的掺杂剂具有很强的扩散到钙钛矿层中的能力，尤其是在光照和热条件下，会降低器件的性能。因此，开发的高性能无掺杂空穴传输材料是延长钙钛矿寿命，满足将来商业化使用的有效途径之一。
本工作采用茚并二噻吩(IDT)及其衍生物作为π桥(D')，与给体单元甲氧基三苯胺和受体单元苯并噻二唑结合，合成了三个L系列(L1、L2和L3)的D-A-D'-A-D型线性分子。L系列的空穴传输材料中，L3 HTM具有(1)高的空穴迁移率深的HOMO能级；(2)高的玻璃化转变温度（Tg）, (3)更紧密的分子排布，（4）更小的能量无序性和对钙钛矿（5）界面钝化效应。最终L3器件获得了21.9%的高转化效率（PCE）。稳定性方面，在充满氩气的手套箱中，L3 PSC在85℃的黑暗条件下1000小时可以保持其初始PCE的83%；在85℃和连续光照MPP测试的条件下500小时后，可以保持初始PCE的85%，是n-i-p型器件中光热（85℃&MPP）稳定性最好的器件。
通过扩大茚二并噻吩π桥供体（D'）与甲氧基三苯胺供体（D）和苯并噻二唑受体（A）结合，开发了三个具有D-A-D'-A-D结构的线性分子L1，L2和L3无掺杂空穴传输材料(HTM)。具有配位活性位点的π桥延伸利用了分子内偶极子效应和分子间堆积效应，均匀致密的覆盖在钙钛矿薄膜表面，形成了共形键合的超薄界面，L1/L2/L3 PSC获得的最高PCE分别为20.20%，21.05%，21.90%。L3在减反膜的器件中获得了22.61的PCE，该效率第三方认证为21.79% （面积为0.0525 cm2）。
85℃条件下，在充满氩气的手套箱中，L3 PSC在黑暗条件下1000小时可以保持其初始PCE的83%；在连续光照MPP测试的条件下500小时后，可以保持初始PCE的85%。主要原因如下：
（1）高的Tg和非掺杂的性质，使得L3HTM在高温下可以维持良好的薄膜形貌；
（2）在光热条件下，L3HTM致密的分子堆积和与活性层的界面共形键合作用抑制了碘离子往金属电极侧的迁移。
本研究报道了基于D-A-D’-A-D构型的无掺杂小分子HTM的高效光热稳定的n-i-p型钙钛矿太阳能电池。通过设计IDT p-桥(四个4-己基苯基侧链和IDT中的两个TT单元p-桥主链)使L3 HTM具有良好的成膜质量和适当的HOMO能级，确保了有效的电荷传输性能。同时，HTM中官能团的表面钝化效应也赋予L3HTM层在钙钛矿/HTM界面的电荷传输和提取性能方面的巨大优势，减少了界面复合损失并抑制了离子相互扩散。器件结果表明，具有三种HTM（L1、L2和L3）的PSC均显示PCE超过20%，特别是具有L3 HTM的PSC （21.9%）在具有抗反射膜的情况下获得了22.61%的最高PCE。更重要的是，由于L系列HTM的高迁移率和Tg，无掺杂性质使得L3 HTM可以避免添加剂对钙钛矿层的负面影响，并保持HTL的高质量形态。在充满氩气的手套箱中，L3 PSC在85℃的黑暗条件下1000小时可以保持其初始PCE的83%；在85℃和连续光照MPP测试的条件下500小时后，可以保持初始PCE的85%。本文证明了具有紧密和均匀覆盖（~60nm）的共形键合超薄界面可以阻止碘迁移并保护掩埋的钙钛矿。超快光谱表明，在L系列分子中，L3具有光激发能量的无序性减少，说明了结构-性能-稳定性的关系。
相关研究成果2023年2月1日发表在Energy & Environmental Science,文章标题为Conformally bonded molecular interface retarded iodine migration for durable perovskite solar cells.论文的第一作者为华南理工大学博士研究生元利刚和朱霨亚，通讯作者是华南理工大学的李远、李宁和严克友教授。
文章链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ee/d2ee03565k
