朱宗龙李忠安，时隔一年再发Science！

香港城市大学朱宗龙教授和华中科技大学李忠安教授等人时隔一年再次在Science上发表研究成果，报道了一种耐热空穴选择层，可改善和稳定倒置p-i-n钙钛矿太阳能电池性能。 以下是详细介绍：研究背景具有咔唑的膦酸自组装单层膜（SAMs）能提高钙钛矿太阳能电池（PSC）性能，适用于单结和钙钛矿基串联太阳能电池，具有高空穴选择性、快速空穴转移速率和低界面陷阱态密度。但与传统的聚合物和金属氧化物空穴传输材料相比，SAM基PSC热稳定性较差。在最大功率点（MPP）运行或开路电压（VOC）、高温（65°至85°C）下的运行稳定性，对提高其稳定性和满足国际稳定标准至关重要。然而，SAM形成分子在高温（65°C）下的降解效应很少被讨论，其热稳定性取决于与所选基底的结合，锚定基团和分子间隔物之间的键可能因温度诱导的解吸断开。研究内容SAM设计和合成：调节末端官能团是调节SAM和钙钛矿之间界面相互作用的有效方法。例如，在2PACz中引入两个甲氧基（OMe）改善了界面接触，提高了p-i-n PSC效率，但也导致偶极矩降低，影响SAM分子的最高占据分子轨道（HOMO）与钙钛矿的价带最大值（VBM）之间的偏移。作者使用非共面螺旋形二苯并[c，g]咔唑（DBC）单元作为核心，减少引入OMe基团时对偶极矩的负面影响，合成了新的MeO-4PADBC SAM。密度泛函理论（DFT）计算验证了MeO-4PADBC与（2-（4H-二苯并[c，g]咔唑-4-基）丁基）膦酸（7PADBC）相比，偶极矩略有降低，与咔唑基SAM有较大差异。空穴选择层应用：比较了MeO-4PADBC SAM和NiOx/MeO-4PADBC作为p-i-n PSC的HSL。通过傅里叶变换红外（FTIR）光谱表明化学键的形成。沉积在ITO/NiOx/MeO-4PADBC衬底上的钙钛矿比沉积在对照衬底上具有更大的晶体域，因为SAM分子通过更强大的三齿酸结合吸收，更密集地锚定在ITO/NiOx底物上，降低了ITO/NiOx底物的表面粗糙度，使表面更疏水，且钙钛矿与SAM分子之间相互作用更强。这些协同作用有助于促进钙钛矿晶体的成核和生长，从而促进钙钛矿的结晶。研究成果性能提升：NiOx/MeO-4PADBC表现出最佳的偶极矩和适合与钙钛矿有利接触的表面，从而产生理想的能量排列，快速的空穴提取和低缺陷密度。这种界面配置使SAM分子固定在NiOx/钙钛矿界面，为热稳定的PSC产生了坚固的空穴选择层（HSL），其热降解活化能比ITO/MeO-3PADBC大约4倍。这些协同效应使1.53电子伏特（eV）p-i-n钙钛矿太阳能电池VOC为1.19V，已验证的功率转换效率（PCE）为25.6%。1.68和1.80 eV宽带隙钙钛矿组合物器件也分别显示出令人鼓舞的22.7%和20.1%的PCE。稳定性增强：使用NiOx/MeO-4PADBC HSL的1.53 eV钙钛矿太阳能电池在65℃下能够循环1200小时，并保持90%的初始效率。阿伦尼乌斯能量外推表明，太阳能电池在25°C能够保持80%的初始效率超过10个月。研究意义：该研究展示了一种高效且稳定的HSL，其热稳定性大大提高，适用于高效含SAM的倒置p-i-n PSC。MeO-4PADBC的合理分子结构设计和深入分析表明，最佳偶极矩和与钙钛矿的良好接触是理想能量排列和快速空穴提取提高器件效率和稳定性的关键。此外，将MeO-4PADBC SAM分子锚定在NiOx膜上，可以与NiOx形成更强的三齿键，有效降低电压损失，并在热应力下保持较强的固定效果。该研究为高效稳定的HSL设计提供了理论指导，并为轻松获得商业化倒置p-i-n PSC铺平了道路。