实验室应磊研究员团队：通过环烷氧化优化聚合物空穴传输材料，以获得高效的钙钛矿太阳能电池

在反式钙钛矿太阳电池中，空穴传输材料在改变钙钛矿晶体质量、空穴传输提取等方面起着关键作用。其中聚合物空穴传输材料具有优异的成膜性和稳定性，便于大规模生产制造。但常见的聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺](PTAA)的极性低、缺少钝化基团、能级不匹配等缺点限制了其在反式钙钛矿太阳电池的应用。

近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室的应磊研究员课题组设计并合成了两种新型聚合物空穴传输材料PTAAO5和PTAAO6，通过调控烷氧环基团有效钝化钙钛矿下界面缺陷、延长共轭长度和改善能级排列，起到了一石三鸟的作用，其中基于空穴传输材料PTAAO6的钙钛矿太阳电池获得了25.19%的光电转换效率，这是当时基于新型聚合物空穴传输材料的反式钙钛矿太阳电池的最高效率，并为设计高性能钙钛矿太阳能电池提供了重要的方法。

本工作经理论计算发现，当烷氧环上的C-O键角为125°时聚合物的构象最稳定，基于此结果设计并合成了两种烷氧环修饰的空穴传输材料PTAAO5和PTAAO6，其C-O键角分别为118°和128°。与没有烷氧环修饰的对照聚合物PTAA相比，PTAAO5和PTAAO6表现出更深的HOMO能级、更高的空穴迁移率。更重要地是，通过X射线能谱测试和接触角测试发现PTAAO6中的O原子能够有效钝化钙钛矿埋底界面的空位缺陷，同时PTAAO6更大的极性增加钙钛矿前驱体溶液的润湿性，从而促进钙钛矿生长结晶减少埋底孔洞。基于PTAAO6空穴传输层的反式钙钛矿太阳电池能量转换效率达到25.19%。此外，使用PTAAO6空穴传输层的电池器件在85℃和85% RH下储存1000 h的光电转换效率衰减小于5%，在65℃和50% RH下一个太阳光连续工作1000 h的光电转换效率衰减小于10%。这些结果表明PTAAO6作为聚合物空穴传输材料在提升反式钙钛矿太阳电池的效率和器件稳定性方面具有不可比拟的优势。

图 (a) 聚合物空穴传输材料的结构式；(b) 不同聚合物空穴传输材料的钙钛矿太阳电池器件J-V曲线；(c) 基于聚合物空穴传输材料的反式钙钛矿太阳电池效率统计图；(d) 在65℃和50% RH下一个太阳光连续工作下的钙钛矿太阳电池器件稳定性；(e) 在85℃和85% RH下的钙钛矿太阳电池器件稳定性。

相关研究成果以“Optimizing Conjugation of Polymer HoleTransport Materials via Cyclic Alkoxylation for Highly Efficient and StablePerovskite Solar Cells”为题发表在Advanced Energy Materials上，其中通讯作者为应磊研究员，第一作者为尹森博士生。该研究工作得到了No. 2022YFB3602800，No. U23A2092，No. 2023B1515040026，No. 2023ZYGXZR097等科研项目的资助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202404575