安明伟副教授、王漾教授，Small观点：聚（3-己基噻吩）的复兴之路：面向高效稳定钙钛矿太阳能电池的空穴传输材料

第一作者：黄小镇

通讯作者：安明伟*，王漾*

单位：福建师范大学

为了推动钙钛矿光伏技术商业化的应用，应遵循高效率、低成本、高稳定性这三个要素的黄金法则。其中，作为钙钛矿太阳能电池（PSCs）关键组成的空穴传输层对于其稳定性的影响至关重要。目前广泛使用的空穴传输材料Spiro-OMeTAD或PTAA存在本征迁移率低、需引入掺杂剂从而导致器件寿命低的问题。而同样作为经典空穴传输材料的聚（3-己基噻吩）(P3HT)因其合成成本低、批次重复性好、本征迁移率高、薄膜形貌稳定性好等优势有望助力实现高效稳定的钙钛矿电池。尽管如此，P3HT用于钙钛矿电池的研究仍然相对较少，且应用中仍存在能级不匹配、界面接触不良等问题。本篇综述系统地总结了近期基于P3HT作为空穴传输层在钙钛矿电池中应用的相关工作，从界面工程、形貌调控、复合空穴传输层的形成以及P3HT的结构优化等方面展开，同时还展示了P3HT在柔性大面积钙钛矿电池中的应用进展，最后回顾并展望了未来在P3HT基钙钛矿电池的研究中所需解决的问题和有待开展的研究方向。

近日，来自福建师范大学王漾教授团队在国际知名期刊Small上发表题为“The Renaissance of Poly(3-hexylthiophene) as a Promising Hole-Transporting Material Toward Efficient and Stable Perovskite Solar Cells”的综述文章。总结了P3HT作为空穴传输材料在钙钛矿太阳能电池中的应用进展，系统地讨论了P3HT在钙钛矿电池中的界面工程、形貌调控、复合空穴传输材料的形成、P3HT化学结构的调控以及由此带来的钙钛矿光伏器件性能与稳定性的提升，并展望了P3HT作为空穴传输材料在未来钙钛矿光伏领域商业化应用方面的巨大前景。

P3HT虽然具有良好的空穴传输特性，然而其与钙钛矿之间能级不匹配、强电子耦合、不良的界面接触和较严重的非辐射复合损耗限制了器件的效率提升。为了克服这些问题，研究人员开发了各种策略，如设计新的功能界面材料、改善界面接触和优化器件结构等。

共轭聚合物的薄膜形貌与聚合物单体的化学结构、分子量、溶解度、构象分布以及沉积方式密切相关。对于区域规整的P3HT，其形貌主要依赖于分子量和沉积方式。通过改变P3HT的薄膜形貌可以深刻影响P3HT的电子属性以及P3HT与钙钛矿的界面接触。例如，低的区域规整度和合适的分子量将会促进面上（face-on）堆积，这有利于空穴的提取，同时减少界面电荷的累积，降低非辐射能量损耗。

虽然P3HT具有较高的本征空穴迁移率，但这与其特定的薄膜形貌高度相关，有时难以合理优化，特别是在钙钛矿层的软结构上沉积。研究人员通过引入其他化合物与P3HT形成复合空穴传输层来优化能级结构和界面接触。例如：无机化合物单分子碳纳米管与P3HT复合会增强π-π相互作用，进一步增强界面电荷的提取；NiOx作为金属氧化物能够调控P3HT的堆积取向从edge-on转向face-on，更有利于空穴的提取和转移；有机小分子SMe-TATPyr能够调整P3HT薄膜形貌，提高载流子迁移率；金属配合物中的Ga(acac)3能够优化P3HT与钙钛矿层的界面接触，减少界面非辐射损耗，实现目前基于P3HT的钙钛矿电池的最高能量转换效率（24.6%）。

传统的P3HT的合成是使用2,5-二溴-3-己基噻吩单体通过Grignard法得到。噻吩单体的结构简单，但同时也限制了其化学功能性的拓展。前期的研究工作中已开发了不同的策略提升P3HT的功能性，如改变P3HT端基、侧链调控、形成嵌段共聚物等，这样的一些化学修饰策略可以在分子尺度赋予P3HT不同的光电特性与界面属性，有望在钙钛矿电池的应用中实现性能和稳定性的提升。此外P3HT等有机聚合物材料具有本征柔性的特点，且易于用溶液法通过刮涂、喷墨打印等方式加工，这将利于制备柔性大面积钙钛矿电池模组，这将助力于钙钛矿电池未来实现商业化应用。

在本综述中，我们系统总结了基于P3HT在钙钛矿电池中应用方面的相关工作，包括界面工程、形貌调控、复合空穴传输层形成以及P3HT的化学结构改性。然而，无论是材料设计还是器件优化，基于P3HT的钙钛矿太阳能电池仍有很大性能提升空间。首先针对于材料本身的设计，可以通过引入特定的官能团调节P3HT的光电属性以及成膜形貌，从而改善界面接触；器件优化方面，除了空穴传输层，钙钛矿活性层、界面层以及电极都至关重要。如可以通过设计钙钛矿双层结构、调控钙钛矿层维度以及引入交联量子肼等策略优化界面，减少界面处电荷复合。最后，基于P3HT为空穴传输层的柔性大面积钙钛矿电池被认为是未来发展的一个重要方向。总之，随着材料设计和器件制备的不断发展，P3HT将有望助力于高效稳定的钙钛矿电池走向产业化。

“The Renaissance of Poly(3-hexylthiophene) as a Promising Hole-Transporting Material Toward Efficient and Stable Perovskite Solar Cells”

DOI: 10.1002/smll.202400874

王漾教授简介：博导，闽江学者特聘教授，福建省高层次人才，深圳市海外高层次人才，福建师范大学“宝琛计划”高端人才。于2009年毕业于中国科学技术大学获得学士学位，2015年毕业于中国科学院长春应用化学研究所获得博士学位（导师：王利祥研究员）。2015-2020年分别于台湾清华大学、南方科技大学从事博士后研究工作，2020-2021年于厦门大学任特聘副研究员。以第一作者或通讯作者在领域内核心期刊包括Nat. Energy, J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Energy Mater.等国际顶尖期刊发表论文40余篇，获权发明专利7项，主持或参与国家级、省级项目10余项,任国际期刊《Frontiers in chemistry》和《Frontiers in Energy Research》专刊首席编委。

安明伟副教授简介：福建师范大学“宝琛计划”青年英才。2017年毕业于陕西师范大学获硕士学位，期间2015-2017于中国科学院国家纳米科学中心联合培养。2021年毕业于厦门大学“固体表面物理化学国家重点实验室”获得博士学位（导师：谢素原院士）。2021-2023年于南方科技大学从事博士后研究工作。近三年发表SCI论文10余篇，以第一作者身份在J. Am. Chem. Soc.、Adv. Energy Mater.、Cell Rep. Phys. Sci.、Chem. Eng. J.等学术刊物上发表论文多篇，申请发明专利5件。主持国家自然科学基金-青年基金、广东省自然科学基金-面上项目和中国博士后科学基金等，参与重大研究计划培育项目、深圳市重点项目等基金4项。

黄小镇简介：本科毕业于贵州民族大学，目前在福建师范大学海峡柔性电子（未来科技）学院攻读硕士学位，主要研究方向为有机功能材料及其在溶液处理光伏器件中的应用。在著名期刊Small、Advanced Energy Materials发表学术论文两篇。

课题组长期从事新型有机共轭分子、光电功能材料与器件应用等方面的研究，并在有机发光二极管（OLED）、有机太阳能电池（OPV）和钙钛矿太阳能电池（PSC）等领域均有相关研究。课题组网页参见：https://www.x-mol.com/groups/steven_wangyang