大連化物所劉生忠Angew：自組裝π共軛空穴選擇性分子，為PSCs打造抗UV高效“利器”

發表時間：2025-06-24 13:49

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主要內容

紫外線（UV）光誘導的降解，尤其是埋底界面處的降解，長期制約著鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的穩定性，嚴重阻礙了其大規模應用。不過，由中國科學院大連化學物理研究所劉生忠教授和中國科學技術大學楊上峰教授帶領的科研團隊，通過創新設計與合成，為解決這一難題提供了新方案。

團隊成功研發出一種新型噻吩修飾的自組裝π共軛空穴選擇性分子——（4 -（3,6 - 雙（5 - 甲基噻吩 - 2 - 基）- 9H - 咔唑 - 9 - 基）苯基）膦酸（Me - TPCP），并利用該分子制備出具備紫外線穩定性的高效鈣鈦礦太陽能電池。

在分子設計方面，團隊同時引入苯基和噻吩基團，有效增強了分子的共軛程度。這一設計既保護了咔唑核心與膦酸基團間脆弱的化學鍵，又提升了分子的固有紫外線穩定性，還增強了其空穴傳輸能力。此外，接枝在咔唑上的噻吩能與鈣鈦礦中的Pb2?離子發生配位作用，增強了鈣鈦礦與空穴選擇性分子間的結合力，使鈣鈦礦薄膜結晶度顯著提高，缺陷密度降低，進而有效抑制了其在紫外線照射下的降解。

團隊還通過引入甲基基團，進一步增強了分子穩定性，并精細調節了Me - TPCP的能級，降低了界面能壘，促進了更高效的空穴提取。憑借這些優勢，基于Me - TPCP的反式鈣鈦礦太陽能電池器件效率提升至25.62%，遠高于對照器件的23.85%。同時，這些器件在紫外線穩定性、運行穩定性和熱穩定性方面均表現優異。

團隊還報道了采用噻吩修飾的π共軛自組裝單分子層（SAMs）——TPCP和Me - TPCP作為空穴選擇性層（HSLs），制備高效且抗紫外線的反式鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的成果。這兩種新型SAMs均以苯基作為π共軛連接基團，在保護咔唑結構脆弱化學鍵的同時，構建了更高效的電荷傳輸路徑。在分子頂部引入噻吩基團進一步增強了π共軛性，提高了分子抗紫外線能力，使其能與鈣鈦礦中未配位的Pb2?離子相互作用，增強埋底界面結合能，改善鈣鈦礦晶體質量，減少缺陷。而在Me - TPCP分子頂部引入甲基基團，實現了對其能帶結構的精細調節，提高了分子穩定性。與鈣鈦礦更優的能級排列有助于降低空穴提取勢壘。

合理的分子設計工程帶來了紫外線穩定性提升、缺陷鈍化能力增強以及優異的空穴提取性能，使得基于Me - TPCP的器件效率顯著高于基于4PACZ的對照器件（25.62% vs 23.85%），且在紫外線穩定性、運行穩定性和熱穩定性方面均有顯著提升。這種創新的分子設計策略，為開發適用于大型戶外應用的高效且抗紫外線的反式鈣鈦礦太陽能電池提供了新思路。

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文獻信息

Self-Assembled π-Conjugated Hole-Selective Molecules for UV-Resistant High-Efficiency Perovskite Solar Cells

Shantao Zhang, Xue Wang, Yu Wu, Xinyu Li, TianAo Hou, Dehan Li, Wenjing Chen, Jianyu Li, Rongyao Lv, Yue Zhang, Zhengguo Xiao, Tao Chen, Shuang Chen, Zhimin Fang, Shengzhong (Frank) Liu, Shangfeng Yang

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202508782