“双碳”是目前国家的重要目标，太阳能光伏是达成“双碳”的重要途径，也是可再生能源的主要形式。钙钛矿太阳能电池因其优异的光电性能成为了极具前景的新一代光伏技术。然而，钙钛矿太阳能电池器件的不稳定性一直是制约其实际应用的关键难题。目前在高效率的钙钛矿电池器件中普遍依赖于使用一种不稳定的空穴传输层材料，这类分子通常是由一个共轭母核和一个锚定基团组成，作为空穴选择接触层时，这些小分子可通过自组装形成单层或多层结构，从而在透明电极和钙钛矿层间实现高效地空穴提取和传输。目前，常见的空穴选择性分子的结构设计都依赖于杂原子（N、S和O等）取代的π-共轭结构，如咔唑或苯并咔唑等（图1）。由于杂原子上通常具有孤对电子，杂原子的引入能够提高共轭母核的电子密度，进而提高电荷传输能力。然而，杂原子的引入同时也伴随着不稳定的极性键的引入，特别是在外置偏压或光照条件下会引起分子结构的不稳定，继而影响整个钙钛矿器件在实际工作中的运行性能和稳定性。因此，在保证实现高效电荷传输的前提下，构建具有本征稳定性的共轭母核结构对于提高钙钛矿太阳能电池的长期工作稳定性至关重要但依然是一个挑战。
鉴于此，浙江大学硅及先进半导体材料全国重点实验室、材料科学与工程学院杨德仁院士团队薛晶晶研究员课题组设计合成出了一种具有全碳基共轭骨架的稳定的新分子结构，命名为 Py3，替代传统使用的不稳定传输层结构，在不牺牲甚至提高器件光电转换效率的同时，显著增强了器件的运行稳定性。与迄今为止报道的所有该用途的分子不同（图1），Py3的芘共轭母核没有任何杂原子取代，这种稠环芳烃结构具有高化学惰性和结构刚性，能够在界面处表现出优异的空穴传导性能。我们通过系统的温度依赖性光谱研究发现，Py3的分子间堆积显著增强，非谐相互作用受到抑制，这有助于提高界面分子基选择性接触的性能。采用Py3构建的钙钛矿太阳能电池实现了26.1%的光电转换效率（PCE）。目标器件在不同加速老化试验的模型下T90寿命均超过了10000小时。
该项研究成果于北京时间2024年7月24日晚11点，被国际顶级期刊《自然》在线刊登。该论文的第一作者为浙江大学薛晶晶课题组和西湖大学王睿课题组联合培养的博士研究生赵可，刘情情和姚利兵为共同第一作者。通讯作者为浙江大学薛晶晶研究员、西湖大学王睿研究员，浙大团队学术带头人杨德仁院士对此工作给予了重要指导和支持。浙江大学为该论文的第一单位。
图1. 已报道的基于杂原子共轭母核的空穴选择接触层材料的分子结构总结
Py3具有良好的溶解性，可通过溶液旋涂法实现在ITO上的高效自组装。同时，在摒弃共轭结构中的杂原子后，具有芘共轭母核的Py3薄膜依然具有高效的电荷传输能力（图2A和B），这是因为芘共轭母核具有类石墨烯的结构，具有很高的电荷离域特性。研究表明，在连续光照的老化测试后，常见空穴传输分子—2PACz中已发生分解，而Py3则在老化前后依旧没有发生分解（图2C和D），充分表明Py3分子在光照条件下具有更强的化学稳定性。
图2. Py3分子结构性质和组装特性
同时，研究表明Py3的分子组装具有很强的结构刚性。如图2E所示，2PACz薄膜在外部加热作用下表现出了不稳定的堆积方式，而Py3自组装形成的堆积结构则在加热前后保持几乎不变（图2F）。固态核磁共振光谱分析表明，Py3分子共轭核心间具有更强的π-π相互作用。我们使用变温固态核磁共振光谱和变温拉曼光谱揭示了其显著增强的分子堆积结构刚性（图3）。
图3. 分子堆积模式和结构刚性研究
此外，虽然Py3薄膜与2PACz薄膜具有相似的初始分子取向，但在加热后，Py3中的芘核取向未受影响，始终保持分子初始堆积的整体取向。而相比之下，2PACz薄膜中的共轭尾部取向已经发生了明显变化，表明热处理后含杂原子的共轭核心堆积发生了明显改变。同样，也充分证明了，通过强π-π相互作用的芘共轭尾部可以保持共轭单元的垂直取向，这对跨界面的有效载流子传输至关重要。
图4. 器件性能和稳定性
在此基础上，以Py3作为空穴选择性接触层的钙钛矿太阳能电池表现出了优异的光伏性能和长期运行稳定性。其光电转化效率显著提高至26.1%（经第三方机构认证为25.7%），开路电压和填充因子实现了巨大提升。同时在宽带隙钙钛矿光伏器件中也展现出优异的普适性，器件性能达到了22.5%，在未来的钙钛矿叠层器件上具有很好的应用前景（图4A-D）。
在稳定性测试方面，基于各项国际标准的老化测试中，我们发现以Py3为空穴传输层构筑的器件具有优异的运行稳定性。在暗态85度加热老化条件下，基于Py3的器件具有超过3000小时的稳定性；在一个太阳光和65度老化条件下，基于Py3的器件具有3300小时的稳定。持续最大功率输出测试也证明了基于Py3的器件具有很强的运行稳定性，经拟合的运行寿命（T90）均超过10000小时（图4E-H）。
