来源：X-MOL
在不同钙钛矿太阳能电池中，p-i-n型器件因制备过程温和且适合叠层电池而受到越来越多的关注。其中，空穴选择层起到促进钙钛矿成核和电荷提取传输的作用，对于器件效率和稳定性具有重要影响。近几年，具有锚定基团（磷酸基、羧酸基、硼酸基、巯基等）的自组装小分子空穴选择层材料备受瞩目，已被广泛用于单结p-i-n钙钛矿电池及叠层器件。然而，目前此类分子大多是采用烷基来连接芳香基团（如咔唑）和锚定基团，烷基的绝缘性质导致整个分子对紫外光的稳定性较差。在太阳光的照射下，紫外线会导致分子本身发生降解，从而导致钙钛矿产生深能级缺陷，严重降低了器件的性能和稳定性。尤其是对于适合制备叠层电池的宽带隙钙钛矿来说，在紫外光下容易发生相分离，导致开路电压损失较大。因此，开发一种新型的可以耐紫外光照射的自组装小分子空穴选择层来提高器件的性能和稳定性是势在必行的。
鉴于此，中国科学院福建物质结构研究所高鹏研究员（点击查看介绍）团队跳出目前固有的自组装分子设计理念，另辟蹊径，以共轭芳香苯环取代烷基构建了全芳香族的自组装空穴选择层材料4-(3,6二甲氧基-9H-咔唑-9-基)苯基)膦酸（MeO-PhPACz）。用苯环连接咔唑和锚定基团，增加了分子的刚性，从而增加了分子间的相互作用，单晶结构显示，MeO-PhPACz与目前商用的MeO-2PACz相比，π-π堆积更紧密，在ITO上形成更致密的薄膜，从而提高空穴的传输和提取。同时，MeO-PhPACz的紫外吸收光谱显著红移，赋予其更高的紫外光吸收能力，可以衰减入射的紫外光，从而保护钙钛矿膜受到紫外光的损害。
最终，通过MeO-PhPACz作为p-i-n型宽带隙钙钛矿太阳能电池的空穴选择层，器件的光电转换效率（PCE）提高到21.10%，VOC和FF也都显著提高，验证了MeO-PhPACz优异的空穴传输性质。制备的大面积（1 cm2）和半透明器件分别实现了20.01%和19.59%的PCE，表明了MeO-PhPACz在商业化和叠层电池的应用潜力。此外，在紫外光长时间照射后，MeO-PhPACz薄膜没有任何变化，可以有效抑制光照造成的钙钛矿的离子迁移，从而显著提高器件的光照稳定性。同时，MeO-PhPACz基器件，在85 ℃和60% RH的空气中400 h，其初始PCE仍然保持了最初的94%的效率，表现了优异的热稳定性。
总之，“全芳香”的分子设计策略为高性能的自组装空穴选择层材料的开发提供了一种新的设计思路，对制备高效的钙钛矿光伏组件具有重要意义。
这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是2022级博士生李迟和团队工程师张子龙。