鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的能量轉換效率（PCE）已達到26.1%。高效穩定的PSC的制備不僅依賴于高質量的鈣鈦礦薄膜，還依賴于優異的中間層和電荷傳輸層。對于利用氧化物電子傳輸層（如TiO₂或SnO₂）的PSC，設計具有足夠高HOMO能級的空穴傳輸層（HTL）對于確保器件內的有效空穴提取至關重要。理想的HTL還應具有良好的特性，包括良好的成膜性、空穴傳輸、在加熱下抵抗形態降解以及有效緩解內部和外部物種擴散。與小分子半導體相比，聚合物半導體的分子量范圍通常為10⁴至107。除了表現出典型的彈性形變外，聚合物材料在加熱到其玻璃化轉變溫度以上時還表現出高彈形變，從而產生具有增強的機械強度和改進的抗斷裂性的薄膜。盡管在PSC中對不同的半導體聚合物進行了詳盡的實驗，但迄今為止，沒有一種聚合物同時表現出PCE超過24%和在85°C下的耐久性。

  近期，浙江大學化學系王鵬教授課題組基于密度泛函理論（DFT）計算，將氧雜[5]螺烯（O5H）、3,4-乙撐二氧噻吩（EDOT）、10-（2-辛基十二烷基）-10H-吩惡嗪（POZ）和3,4-乙撐二氧噻吩（EDOT）取代一半的O5H，得到一種四元交替共聚物（p-O5H-E-POZ-E, 圖1）。理論計算表明，p-O5H-E-POZ-E的HOMO能級與spiro-OMeTAD相當，其玻璃化轉變溫度（268°C）顯著超過spiro-OMeTAD（153°C）和PTAA（118°C）。研究發現，高溶解性的p-O5H-E-POZ-E可以與空氣摻雜輔助試劑雙（三氟甲磺酰基）亞胺鋰（LiTFSI）共混，在各種襯底上形成均勻致密的薄膜，具有良好的電荷傳輸性。以p-O5H-E-POZ-E為HTL的PSC實現的最高PCE為25.7%，平均PCE為24.9%，在同樣條件下，超過spiro-OMeTAD（平均PCE為24.0%）和PTAA（平均PCE為21.6%）的對照電池。重要的是，基于p-O5H-E-POZ-E的PSC在85 °C下老化1000 h，PCE保有率為93%; 在40 ^oC最大功率點（MPP）追蹤500 h, PCE保有率為98%，顯著優于對照電池。此外，全面的器件降解分析表明: p-O5H-E-POZ-E因具有高彈性模量、高斷裂強度、高內聚能密度、高疏水性和低離子擴散性等關鍵性能，從而賦予PSC優異的熱穩定性和操作穩定性。該研究為同時具有溶液可加工性、優異的電荷傳輸性能和力學性能的半導體聚合物的設計提供了獨特的視角。

圖1. 兩種基于螺烯的半導體聚合物和對照共聚物的化學結構，以及用于鈣鈦礦太陽能電池的最先進的空穴傳輸材料。

圖2. 能級和光誘導的空穴提取

圖3. LiTFSI輔助空氣摻雜有機半導體

圖4. 光伏性能和表面形態

圖5. 太陽能電池在85 °C下的熱穩定性和器件降解分析

圖6. 老化后的太陽能電池中鈣鈦礦層的形態與水滲透

圖7. 太陽能電池的操作穩定性和HTL中的離子擴散

  該工作以“A helicene-based semiconducting polymer for stable and efficient perovskite solar cells”為題發表Cell Press旗下材料領域頂級期刊Matter上（Matte 2023,6, 1-19）。文章的第一作者是浙江大學的2019級博士生賀麗飛和張雨燕，通訊作者為王鵬教授。該研究得到國家自然科學基金、國家重點研發項目和湖南省科技創新項目的支持。

  原文鏈接：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00463-0

  下載：A helicene-based semiconducting polymer for stable and efficient perovskite solar cells