基于分子的選擇性接觸，已成為確保高效倒置鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵組成部分。這些分子總是由雜原子取代的共軛核組成，以提供理想的載流子傳輸能力。

到目前為止，成功的共軛核設(shè)計(jì)僅限于兩種n取代π共軛結(jié)構(gòu)，咔唑和三苯胺，分子優(yōu)化是圍繞它們的衍生物進(jìn)行的。

然而，這種雜原子取代結(jié)構(gòu)對(duì)分子穩(wěn)定性的限制，阻礙了器件壽命的進(jìn)一步提高。迫切需要在不犧牲電子特性的情況下，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的分子接觸，但這仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

在此，來(lái)自浙江大學(xué)的薛晶晶&西湖大學(xué)的王睿等研究者報(bào)道了一種沒(méi)有雜原子取代的多芳香族核結(jié)構(gòu)，它比傳統(tǒng)的雜原子取代核心結(jié)構(gòu)具有更好的載流子傳輸和選擇性。相關(guān)論文以題為“peri-Fused polyaromatic molecular contacts for perovskite solar cells”于2024年07月24日發(fā)表在Nature上。

與普通電池相比，倒置鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSCs)，在設(shè)備耐用性、串聯(lián)結(jié)構(gòu)兼容性以及市場(chǎng)整合潛力方面具有優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，隨著分子基孔選擇觸點(diǎn)的出現(xiàn)，倒置PSCs的研究得到了推動(dòng)，這提高了器件的功率轉(zhuǎn)換效率(PCEs)。

這些分子具有共軛部分，通常可以在透明電極和鈣鈦礦的界面上自組裝成單層或多層，以確保有效的電荷傳輸。其獨(dú)特的特性，如易于制造，最小化寄生吸收和結(jié)構(gòu)可調(diào)性，使其優(yōu)于傳統(tǒng)的選擇性觸點(diǎn)，成為實(shí)現(xiàn)高效倒置PSCs不可或缺的因素。

這種選擇性接觸的分子設(shè)計(jì)，通常涉及雜原子取代的π共軛烴結(jié)構(gòu)。在共軛核中引入雜原子，如N、S和O，通常被認(rèn)為可以提供來(lái)自孤電子離域的富集電子密度，從而確保有效的電荷傳輸能力。最成功的分子連接核心是咔唑和三苯胺(及其衍生物)，它們都是n取代的雜環(huán)結(jié)構(gòu)。分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化的廣泛研究，如側(cè)鏈工程、雜原子插入和官能團(tuán)裁剪，因此圍繞這兩個(gè)支柱發(fā)展起來(lái)。

然而，雜原子取代結(jié)構(gòu)往往承諾理想的電子性能，但結(jié)構(gòu)完整性降低。在雜原子取代時(shí)，由于化學(xué)鍵的極化，反應(yīng)位點(diǎn)可以同時(shí)引入，導(dǎo)致潛在的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，特別是在偏壓和照明等外場(chǎng)下。

在保持高電子性能的同時(shí)，為分子接觸提供更多的惰性共軛核對(duì)于PSCs的長(zhǎng)期穩(wěn)定性至關(guān)重要，這是其商業(yè)化的主要障礙，但尚未被發(fā)現(xiàn)。

在此，研究者報(bào)道了一個(gè)分子結(jié)構(gòu)，(2-(芘-1-基)乙基)膦酸，命名為Py3，可用于構(gòu)建一個(gè)強(qiáng)大的分子接觸。與迄今為止報(bào)道的所有選擇性接觸分子不同，Py3具有芘的共軛核，沒(méi)有任何雜原子取代，同時(shí)在界面上表現(xiàn)出特殊的電子性質(zhì)。其周圍融合的多芳族結(jié)構(gòu)是化學(xué)惰性和構(gòu)象剛性，允許一個(gè)安全的分子界面有效的電荷提取。

深入的溫度依賴光譜研究表明，Py3中的分子間堆積和非調(diào)和相互作用得到了顯著增強(qiáng)，這有助于提高分子接觸的性能。用Py3構(gòu)建的倒置PSC的PCE為26.1%。

在不同的加速老化測(cè)試中，目標(biāo)設(shè)備顯示出超過(guò)10,000小時(shí)的預(yù)計(jì)T90(太陽(yáng)能電池退化到初始效率90%的時(shí)間)，表明它們對(duì)外部刺激的抵抗力大大提高。

圖1 組裝Py3作為PSCs分子接觸點(diǎn)的基本性質(zhì)。

圖2 Py3分子堆積和結(jié)構(gòu)剛度的機(jī)理研究。

圖3 堆疊方向和由此產(chǎn)生的載流子行為。

圖4 PSCs的光伏性能。

綜上所述，研究者報(bào)道了一種周圍融合的多芳族結(jié)構(gòu)，作為一種替代常用的雜原子取代共軛核，用于構(gòu)建PSCs中基于分子的選擇性接觸。廣泛的電子離域與組裝分子接觸的高結(jié)構(gòu)剛性相結(jié)合，協(xié)調(diào)了電荷傳輸效率和結(jié)構(gòu)耐久性，這是限制PSCs壽命的長(zhǎng)期問(wèn)題。

研究者相信，該配方將極大地?cái)U(kuò)展分子庫(kù)，用于設(shè)計(jì)PSCs和其他分子電子學(xué)中的選擇性接觸，并鼓勵(lì)超越雜原子取代慣例的研究。這種分子設(shè)計(jì)的化學(xué)和結(jié)構(gòu)可靠性預(yù)計(jì)將有助于PSCs的商業(yè)化。

PS：薛晶晶，浙江大學(xué)博士生導(dǎo)師。2016年于南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院取得學(xué)士學(xué)位。2016年-2021年，在加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）材料科學(xué)與工程學(xué)院攻讀博士學(xué)位，師從半導(dǎo)體光電材料與器件領(lǐng)域國(guó)際著名學(xué)者楊陽(yáng)教授。

王睿，西湖大學(xué)工學(xué)院助理教授，獨(dú)立PI，1993年生，遼寧錦州人，2015年獲吉林大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位，2016年獲加州大學(xué)伯克利分校碩士學(xué)位。2016.9-2019.12就讀于加州大學(xué)洛杉磯分校，師從楊陽(yáng)教授，獲博士學(xué)位。

有趣的是，師兄妹竟然前后都獲入選過(guò)福布斯中國(guó)及亞太30歲以下30人，以及麻省理工科技評(píng)論全球科技創(chuàng)新35人。實(shí)力之強(qiáng)，讓人咋舌。

據(jù)悉，這已經(jīng)不是兩人的第一次聯(lián)手了，早在幾年前，曾聯(lián)手發(fā)過(guò)兩篇Science！

而就在去年，兩人也早已聯(lián)手發(fā)過(guò)Nature！

【參考文獻(xiàn)】

Zhao, K., Liu, Q., Yao, L. et al. peri-Fused polyaromatic molecular contacts for perovskite solar cells. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07712-6

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07712-6