香港城大付强＆上海高研院冀晓霏＆河南农大来洪涛CEJ：有机光伏的宽带隙给体聚合物作为钙钛矿太阳能电池的非掺杂空穴传输层

第一作者：来洪涛

通讯作者：来洪涛*，冀晓霏*，付强*

单位：河南农业大学，中科院上海高等研究院，香港城市大学

单结钙钛矿太阳能电池（PSC）的认证功率转换效率（PCE）已提高到26%以上，接近晶体硅太阳能电池的效率。然而，PSC长期运行稳定性的提升严重阻碍了其商业化。传统的n-i-p PSC通常利用SnO2作为电子传输层（ETL）并以掺杂的2,2',7,7'-四（N,N-二对甲氧基苯胺）-9,9'-螺二芴（Spiro-OMeTAD）作为空穴传输层（HTL），稳定性主要受到掺杂HTL以及其和钙钛矿之间的界面的限制。迄今为止，优化的掺杂技术或开发的非掺杂空穴传输材料（HTM）仍未得到广泛应用。目前开发的HTM由于PCE较低（大多数<24％）而受到限制，且材料极少商业化，很难被更多的研究团队使用。新型HTMs的持续开发将增加光伏器件的研究成本，不利于大规模产业化应用和可持续发展。因此，总结适合非掺杂HTM的设计策略并从商业材料中选择合适的材料将是一种可靠的手段。

PSC中的非掺杂HTM应确保选择性空穴提取，防止钙钛矿与金属电极之间的直接接触，并提高光稳定性和热稳定性。在聚合物的分子设计策略中，由给体（D）单元和受体（A）单元组成的D-A共聚物已被证明是有机光伏（OPV）中最重要和最有效的聚合物给体材料。D-A共聚物的光学和电子性质，如能级、光学带隙和空穴迁移率，可以通过设计不同的给体和受体单元来轻松调节，以满足非掺杂HTM的要求。D-A共聚物的持续创新，特别是OPV中的宽带隙聚合物给体材料，为开发聚合物HTM提供了宝贵的工具箱。通过使用D-A共聚物PBDB-Cz、2DP-TDB、PBQ6、PM6和PM7，PCE已达到22%以上。然而，基于聚合物HTM的PSC的最高效率仍然远低于最先进的PSC，并且分子和器件之间的结构-功能-性能关系并不清析。

近日，河南农业大学来洪涛博士，中科院上海高等研究院冀晓霏博士与香港城市大学付强博士合作，在国际期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Wide-bandgap donor polymers from organic photovoltaics as dopant-free hole transport layers for perovskite solar cells”的文章。提出了一种有效的分子设计，用于选择可用于商业化的结构相关聚合物（D18、D18-Cl、PBQx-TCl）。研究发现，高度平面的共轭主链在调节薄膜相对于钙钛矿的堆积方向方面发挥着至关重要的作用。适度的聚集和face-on的堆积取向有利于形成高质量的薄膜，从而能够更好地与钙钛矿接触并实现优异的电荷提取和传输。同时，这些具有强大钝化功能的聚合物无需额外的钝化层即可提高开路电压（VOC），从而简化了器件工艺。因此，使用非掺杂PBQx-TCl作为HTL的PSC表现出24.12%的效率、1.20 V的高VOC和良好的运行稳定性（T90  > 600 h）。这项工作揭示了分子和器件之间的结构-功能-性能关系，为后续高性能HTM的开发奠定了基础。

要点一：有机光伏中的宽带隙聚合物为开发聚合物空穴传输材料（HTM）提供了宝贵的工具箱。

要点二：使用非掺杂PBQx-TCl作为HTL的PSC表现出24.12%的效率、1.20 V的高VOC和良好的运行稳定性（T90  > 600 h）

要点三：揭示了分子和器件之间的结构-功能-性能关系，为开发高性能HTM奠定基础。

Wide-bandgap donor polymers from organic photovoltaics as dopant-free hole transport layers for perovskite solar cells

来洪涛博士：2019年博士毕业于南开大学化学学院（导师：刘永胜教授），2020年9月至今，河南农业大学校聘教授，硕士生导师。主要致力于高性能钙钛矿太阳能电池材料的开发及器件制备。目前以第一作者或通讯作者在J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，Chem. Eng. J.等国际知名期刊发表学术论文5篇。

冀晓霏博士：2020年博士毕业于南开大学化学学院（导师：刘永胜教授）。2020年10月-2022年11月在南方科技大学从事博士后研究（合作导师：郭旭岗教授）。2022年11月至今，在中国科学院上海高等研究院基础交叉中心鲁林峰团队担任助理研究员。研究方向主要集中在钙钛矿及钙/硅叠层太阳能电池的相关材料与器件，目前以第一作者或通讯作者在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、J. Mater. Chem. A等国际期刊发表学术论文10余篇。

付强博士：2016年本科毕业于兰州大学；2021年博士毕业于南开大学化学学院（导师：刘永胜教授）。2021-2022年，留组从事博士后研究（导师：刘永胜教授，陈永胜教授）。2022年9月至今，在香港城市大学Alex Jen教授团队从事博士后研究。目前研究方向主要集中在太阳能转化包括：先进能源材料开发，钙钛矿太阳能电池和组件；目前以第一（含共一）或通讯作者于J. Am. Chem. Soc.(4), Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett.(4)等国际期刊发表论文22篇。