Nano Energy详细解读：无掺杂空穴传输材料抑制自由基阳离子产生及碘迁移助力高效稳定全无机钙钛矿太阳能电池

【文章信息】

第一作者：黄嘉兴，张益衡

通讯作者： 王晶 , 蔡万清 , 李远 , 薛启帆

单位：华南理工大学，广东工业大学，北理莫斯科大学

【研究背景】

近年来，钙钛矿太阳能电池（ PVSCs ）因其卓越的光电性能和低成本制造潜力，成为光伏领域的研究热点。尤其是全无机钙钛矿太阳能电池（如 CsPbI _3−x Br _x ），凭借其优异的热稳定性、光吸收能力和高效载流子传输特性，展现出巨大的商业化潜力。然而，当前大多数高效 PVSCs 依赖于掺杂的空穴传输材料（ HTMs ），这些掺杂剂（如锂盐）虽然能提高器件性能，但会加速钙钛矿的降解，导致器件稳定性下降。此外，掺杂 HTMs 的合成过程复杂且成本较高，限制了其大规模应用。为了克服这些问题，开发无掺杂 HTMs 成为研究的关键方向。无掺杂 HTMs 不仅能够简化合成工艺、降低成本，还能有效抑制钙钛矿中的离子迁移，从而显著提高器件的稳定性和使用寿命。然而，目前大多数无掺杂 HTMs 的空穴迁移率较低，限制了其在高效 PVSCs 中的应用。因此，设计和合成具有高空穴迁移率、优异热稳定性和良好缺陷态钝化能力的无掺杂 HTMs ，对于实现高效、稳定的全无机 PVSCs 具有重要意义。

本研究通过设计一种新型的 D–A–D’–A–D 型无掺杂 HTM （ IDTT-PhCz ），成功解决了上述问题。该材料不仅具有更深的最高占据分子轨道（ HOMO ）能级，能够与钙钛矿的价带位置更好地匹配，还展现出优异的分子间堆积和空穴传输能力。此外， IDTT-PhCz 通过其芳香化的末端基团，实现了对钙钛矿表面未配位铅离子的有效钝化，显著抑制了 自由基阳离子产生及 碘迁移，从而大幅提高了器件的稳定性和效率。基于 IDTT-PhCz 的全无机 PVSCs 实现了 21.0% 的光电转换效率，这是迄今为止报道的最高效率之一，同时在高温和光照条件下展现出卓越的稳定性。这些结果表明， D–A–D’–A–D 型设计策略为开发高效、稳定的无掺杂 HTMs 提供了一种极具前景的途径，有望推动钙钛矿太阳能电池的商业化进程。

【文章简介】

本研究开发了两种新型无掺杂空穴传输材料（ HTMs ） IDTT-EtCz 和 IDTT-PhCz ，采用 D – A – D’ – A – D 结构设计，成功应用于全无机钙钛矿太阳能电池（ PVSCs ）。 IDTT-PhCz 展现出优异的空穴迁移率、缺陷态钝化能力和热稳定性，助力 CsPbI3 基 PVSCs 实现 21.0% 的光电转换效率（ PCE ），并表现出卓越的热稳定性和光稳定性。该研究为高效、稳定钙钛矿太阳能电池的开发提供了新思路。

图 . 基于 IDTT-PhCz 器件的稳定性测试（左）以及单 / 双结 PSCs 的效率统计（右）

【主要内容】

本研究开发了两种新型无掺杂空穴传输材料 IDTT-EtCz 和 IDTT-PhCz ，采用 D – A – D’ – A – D 结构设计，用于全无机钙钛矿太阳能电池。 IDTT-PhCz 展现出更高的空穴迁移率、更深的 HOMO 能级和更紧密的分子堆积，显著提升了器件性能。基于 IDTT-PhCz 的 CsPbI ₃ 太阳能电池实现了 21.0% 的光电转换效率（ PCE ），并表现出卓越的热稳定性和光稳定性。此外， IDTT-PhCz 还助力钙钛矿 / 有机串联太阳能电池实现 25.0% 的高效率（认证效率 24.66% ），为高效、稳定的钙钛矿光伏技术提供了新思路。

1. 分子设计与合成
   研究团队设计并合成了两种新型无掺杂空穴传输材料（ HTMs ）， IDTT-EtCz 和 IDTT-PhCz （图 1a ），采用 D–A–D’–A–D 结构配置。这两种材料通过高产率的两步反应合成，并成功应用于全无机钙钛矿太阳能电池（ PVSCs ）。 IDTT-PhCz 由于其芳香化的末端基团，展现出更短的分子间接触和更高的空穴迁移率。
   

图 1. （ a ） IDTT-EtCz 和 IDTT-PhCz 的合成路线示意图。（ b ） IDTT-EtCz 和 IDTT-PhCz 的单晶结构及分子堆积模式示意图。

1. 单晶结构与分子堆积
   通过单晶结构分析（图 1b ），发现 IDTT-PhCz 具有更紧密的分子堆积和平面性，其分子间距离更短，有利于提高电荷传输能力。 IDTT-PhCz 的末端苯基与另一分子的噻吩单元之间存在较强的分子间相互作用，进一步增强了电荷传输效率。
   
   

1. 光电性能与能级对齐
   研究表明， IDTT-PhCz 具有更深的 HOMO 能级（ -5.48 eV ），与钙钛矿的价带位置更匹配，从而促进了有效的空穴提取（图 2d ）。此外， IDTT-PhCz 的光学带隙为 2.04 eV ，与钙钛矿的吸收特性相匹配，有助于提高器件的开路电压（ VOC ）。