特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。倒置钙钛矿太阳能电池 (PSC) 在器件耐久性、与串联结构的兼容性以及市场整合潜力方面均优于普通太阳能电池。基于分子的选择性接触已成为确保高效倒置钙钛矿太阳能电池的关键组成部分。这些分子总是由一个共轭核心和杂原子取代组成，以提供理想的载流子传输能。倒置 PSC 中使用的分子接触最成功的共轭核心仅限于咔唑和三苯胺（及其衍生物），它们都是 N 取代的杂环结构。围绕这两个主链，人们开展了广泛的分子结构优化研究，例如侧链工程、杂原子插入和功能团定制。2、杂原子取代结构存在结构不稳定的问题，影响PSC的长期稳定性杂原子取代的结构完整性会降低，导致潜在的结构不稳定性，尤其是在偏压和照明等外场下。在保持高电子性能的同时实现分子接触的更加惰性的共轭核心对于PSC的长期稳定性至关重要，这是其商业化的主要障碍。 有鉴于此，浙江大学薛晶晶、西湖大学王睿等人报道了一种没有杂原子取代的近稠合多芳族核心结构，与传统的杂原子取代核心结构相比，它具有更优异的载流子传输和选择性。这种核心结构产生了相对化学惰性和结构刚性的分子接触，大大提高了钙钛矿太阳能电池的效率和耐用性。在不同的加速老化测试中，冠军器件的效率高达 26.1%，寿命大大提高。作者设计了一种新型分子结构Py3， Py3分子具有高结构刚度和优良的电子特性，可以提高器件性能。作者深入探讨了Py3分子结构刚度改善机制，通过多种表征共同证实了Py3的分子设计和自组装特性显著提高了其电子性能和界面稳定性。 作者评估了Py3作为选择性接触层在钙钛矿太阳能电池(PSC)中的光伏性能，并与传统的2PACz进行了比较，证明了Py3在提高PSC性能和稳定性方面的潜力。作者报道了新型Py3分子，该分子采用了独特的芘共轭核心，没有杂原子取代，这在之前用于选择性分子接触的分子中是前所未有的。这种结构设计提供了化学稳定性和构象刚性，有助于构建更安全、更有效的分子界面，以实现电荷的有效提取。2、所开发的分子显著提高了PSC对外部刺激的抵抗力和长期稳定性Py3分子在界面处展现出卓越的电子特性，这些特性的优化显著提升了分子接触的性能，使得使用Py3构建的倒置PSC实现了26.1%的光电转换效率（PCE），并且在加速老化测试中显示出超过10,000小时的预计T90。作者设计了一种新型分子结构Py3，以最小的近缘稠合多环芳烃系统取代传统共轭核心，用于构建分子接触。Py3分子具有高结构刚度和优良的电子特性，能够促进电荷流动，且在溶液中易于处理。与2PACz相比，Py3展现出更高的平均表面电流信号，表明其电荷传输能力更强。核磁共振(NMR)光谱测试显示，Py3在外界刺激下具有更好的分子稳定性，老化试验后NMR光谱几乎不变，而2PACz则出现降解。XRD测量结果表明，Py3薄膜具有更强的π-π堆积模式，对热应力和有机溶剂DMF具有更好的抵抗力，有助于维持界面结构稳定，抑制非辐射载流子复合，从而提高器件性能。 接着，作者深入探讨了Py3分子结构刚度改善机制，通过ssNMR和温度相关拉曼光谱分析，发现Py3具有更强的π-π相互作用和分子堆积，导致其自组装框架刚性增强。与2PACz相比，Py3的化学位移变化更大，表明其屏蔽效应更明显，且在温度变化下化学位移变化较小，表明其π-π相互作用能远高于2PACz。拉曼光谱分析显示，Py3的环呼吸模式峰宽随温度变化较小，表明其非谐相互作用被抑制。偏振FTIR光谱分析表明，Py3分子在加热后仍能保持垂直取向，而2PACz则发生取向变化。密度泛函理论计算进一步证实了Py3在界面处的电荷离域，有助于载流子传输。时间分辨光致发光测量结果也表明，Py3在电荷提取方面优于2PACz。这些结果表明，Py3的分子设计和自组装特性显著提高了其电子性能和界面稳定性。 最后，作者评估了Py3作为选择性接触层在钙钛矿太阳能电池(PSC)中的光伏性能，并与传统的2PACz进行了比较。实验结果表明，使用Py3的PSC器件实现了26.1%的光电转换效率(PCE)，显著高于2PACz基器件的23.1%。Py3的引入改善了界面载流子传输，减少了界面声子散射，并且与钙钛矿具有理想的能带排列，抑制了界面处的电荷复合。此外，Py3基器件在加速老化测试中表现出卓越的热稳定性和光照稳定性，3000小时后仍保持了95%以上的初始PCE，预计T90达到10280小时。这些结果证明了Py3在提高PSC性能和稳定性方面的潜力，有望推动高效稳定PSC的商业化进程。 总之，本文报告了一种近稠合多环芳烃结构，可替代常用的杂原子取代共轭核心，用于构建PSC中的基于分子的选择性接触。广泛的电子离域与组装分子接触的高结构刚度相结合，使电荷传输效率与结构耐久性相一致，而这正是限制 PSC 寿命的长期问题。这种配方将大大扩展 PSC 和其他分子电子器件中选择性接触设计的分子库，并鼓励超越杂原子取代惯例的研究。这种分子设计的化学和结构可靠性有望为PSC的商业化做出贡献。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
