近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員郭鑫和中科院院士李燦團(tuán)隊(duì)，在鈣鈦礦太陽(yáng)電池空穴傳輸材料的開(kāi)發(fā)方面取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angew.Chem.Int.Ed.）上，并被選為VIP（VeryImportantPaper）論文。

有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦太陽(yáng)電池因其較高的光電轉(zhuǎn)換效率受到廣泛關(guān)注，其中空穴傳輸材料（HTM）在提升器件效率方面發(fā)揮著重要作用。目前應(yīng)用最為廣泛的HTM是Sprio-OMeTAD，但該分子的對(duì)稱(chēng)性較高，易于結(jié)晶而導(dǎo)致其薄膜穩(wěn)定性差且存在針孔缺陷，這不僅降低了器件的穩(wěn)定性，還不適用于大面積器件的制備，極大限制了其在鈣鈦礦太陽(yáng)電池中的應(yīng)用。

據(jù)介紹，目前應(yīng)用最為廣泛的空穴傳輸材料是Sprio-OMeTAD，但該分子的對(duì)稱(chēng)性較高，易于結(jié)晶而導(dǎo)致其薄膜穩(wěn)定性差，并且存在針孔缺陷，這不僅降低了器件的穩(wěn)定性，也不適用于大面積器件的制備，極大限制了其在鈣鈦礦太陽(yáng)電池中的應(yīng)用。為了解決Sprio-OMeTAD的這些問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)基于“降低分子對(duì)稱(chēng)性，提高薄膜形態(tài)穩(wěn)定性”的思路，從原來(lái)Sprio-OMeTAD的內(nèi)核中“裁剪”出低對(duì)稱(chēng)的新螺環(huán)核——螺茚，外圍結(jié)合咔唑類(lèi)樹(shù)枝單元，成功合成了新型空穴傳輸分子Spiro-I。

“相比于準(zhǔn)球形的Sprio-OMeTAD分子，該新分子呈現(xiàn)V型結(jié)構(gòu)和更低的分子對(duì)稱(chēng)性，因此分子的結(jié)晶傾向被有效抑制，同時(shí)更容易形成無(wú)針孔的高質(zhì)量薄膜。”中科院大連化物所太陽(yáng)能研究部郭鑫研究員介紹，將Spiro-I作為空穴傳輸材料制備鈣鈦礦太陽(yáng)電池，其在大面積器件和器件穩(wěn)定性方面的表現(xiàn)優(yōu)于經(jīng)典材料Sprio-OMeTAD。

為解決Sprio-OMeTAD的上述問(wèn)題，在前期工作的基礎(chǔ)上（NanoEnergy,Small,SolarRRL），該團(tuán)隊(duì)基于“降低分子對(duì)稱(chēng)性，提高薄膜形態(tài)穩(wěn)定性”的思想，從原來(lái)Sprio-OMeTAD的內(nèi)核“裁剪”出低對(duì)稱(chēng)的新螺環(huán)核——螺茚，外圍結(jié)合咔唑類(lèi)樹(shù)枝單元，成功合成了新型空穴傳輸分子Spiro-I。相比于準(zhǔn)球形的Sprio-OMeTAD，該新分子呈現(xiàn)V型結(jié)構(gòu)和更低的分子對(duì)稱(chēng)性，因此分子的結(jié)晶傾向被有效抑制，同時(shí)更容易形成無(wú)針孔的高質(zhì)量薄膜。將Spiro-I作為HTM制備鈣鈦礦太陽(yáng)電池，在大面積器件和器件穩(wěn)定性方面的表現(xiàn)均優(yōu)于經(jīng)典材料Sprio-OMeTAD。此外，該分子合成成本更低，器件加工過(guò)程中使用量少，有利于降低電池的整體成本。這一工作為制備高效、穩(wěn)定、低成本的鈣鈦礦太陽(yáng)電池提供了新的空穴傳輸材料，也為空穴傳輸材料的分子設(shè)計(jì)提供了新思路，將有助于推動(dòng)鈣鈦礦太陽(yáng)電池的進(jìn)一步發(fā)展。

另外，該團(tuán)隊(duì)一直致力于新型光伏器件載流子傳輸層及其界面修飾的研究工作，除了此次開(kāi)發(fā)的鈣鈦礦太陽(yáng)電池空穴傳輸材料，他們還報(bào)道過(guò)多種有機(jī)太陽(yáng)電池的電子和空穴傳輸材料，并取得了優(yōu)異的器件性能（J.Mater.Chem.A,J.Mater.Chem.A,Org.Electron.,J.Mater.Chem.A,ACSAppl.Mater.Interfaces）。這些工作有助于大連化物所在具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型光伏技術(shù)所需關(guān)鍵材料體系方面的進(jìn)一步發(fā)展。

上述研究工作得到青年項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、兩所融合基金以及博士后基金等的資助。