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华东理工大学吴永真-最新Angew-效率26.21%-可锚定聚合物助力高效倒置钙钛矿电池实现超薄且坚固的空穴传输层 文章来源：https://doi.org/10.1002/ange.202422571 华东理工大学吴永真团队在Angew期刊发表题为“Anchorable Polymers Enabling Ultra-Thin and Robust Hole-Transporting Layers for High-Efficiency Inverted Perovskite Solar Cells”的研究论文，华东理工大学徐益升教授为共同通讯作者。 01 主要内容 本文主要介绍了锚定聚合物作为高效倒置钙钛矿太阳能电池（PSCs）空穴传输材料的研究进展。作者设计了一种新型锚定聚合物空穴传输材料（CP1至CP5），通过在聚三芳胺主链上引入不同含量的吡啶基侧链，实现了与基底的化学相互作用，制备出超薄、均匀且坚固的空穴传输层，显著提高了倒置钙钛矿太阳能电池的光电转换效率，达到了26.21%，并增强了器件在反复电流电压扫描和反向偏压老化条件下的稳定性。 1. 背景与挑战： 钙钛矿太阳能电池因其低成本和高效率而受到广泛关注。目前，小分子空穴传输材料（HTMs）在倒置钙钛矿太阳能电池中的应用领先于聚合物HTMs。传统聚合物HTMs无法形成超薄且均匀的涂层，尤其是在表面形貌粗糙的基板上，这限制了其电荷收集效率。 2. 创新点： 设计了可锚定的聚合物HTMs（CP1至CP5），通过共聚合法在聚三芳胺PTAA主链上引入不同含量的配位吡啶基侧链。这些吡啶基侧链通过化学相互作用增强了聚合物HTMs与基板之间的结合力，从而允许使用极低浓度的溶液（0.1 mg mL⁻¹）加工成超薄、均匀且坚固的空穴传输层。 3. 研究策略： 通过系统调整吡啶基的取代比例，优化了这些可锚定HTMs的能量水平、表面润湿性、溶液加工性和缺陷钝化能力。 4.器件性能： 基于最优的CP4的小面积（0.08 cm²）器件，实现了高达26.21%的功率转换效率（PCE）。电池结构：ITO/HTM/Pervosikte/C60/BCP/Ag。钙钛矿活性层为：Cs0.05(FA0.98MA0.02)0.95Pb (I0.98Br0.02)3 5.稳定性提升： 在氮气气氛中，按照ISOS-L-1协议（连续1太阳等效白光LED照射下的最大功率点（MPP）跟踪）进行测试。基于CP4的器件表现出优异的操作稳定性，在连续光照约1500小时后，仍能保持其初始效率的97.5%。相比之下，基于CP1的器件在相同测试条件下，约1500小时后，其PCE急剧下降至初始值的71%。
02图文信息 03 讨论问答 1、为什么传统的聚合物空穴传输材料（HTMs）无法形成像自组装单层（SAMs）那样的超薄且均匀的涂层？传统聚合物HTMs由于其化学结构和分子量限制，无法在粗糙表面形态的基底上形成超薄且均匀的涂层，这限制了它们在倒置钙钛矿太阳能电池中的应用。 2、研究者们是如何解决这个问题的？研究者们通过设计锚定聚合物HTMs（CP1至CP5），在聚三芳胺（PTAA）主链上引入不同含量的配位吡啶基团，实现了聚合物HTMs与基底之间的化学相互作用，从而能够制备出超薄、均匀且坚固的空穴传输层。 3、这种新型聚合物HTMs如何优化了能量水平、表面润湿性、溶液可加工性和缺陷钝化能力？通过系统地调整吡啶取代比率，研究者们同时优化了这些锚定HTMs的能量水平、表面润湿性、溶液可加工性和缺陷钝化能力。 4、基于最优的CP4，研究者们实现了怎样的倒置钙钛矿太阳能电池性能？基于最优的CP4，研究者们实现了高效倒置钙钛矿太阳能电池，功率转换效率（PCE）高达26.21%，与最先进的SAM基倒置钙钛矿太阳能电池相当。 5、倒置钙钛矿太阳能电池（PSCs）为何受到广泛关注？倒置钙钛矿太阳能电池因其低成本、高性能以及显著的光电转换效率而受到广泛关注，尤其是对于单结和串联器件，其PCE分别达到了26.5%和28.5%。 6、为什么大多数SAM基HTMs存在光和热不稳定性？大多数SAM基HTMs存在光和热不稳定性，因为它们具有局部电子丰富的结构和相对较低的分子量。 7、研究者们提出的改进策略是什么？研究者们提出了两种主要策略来提高有机半导体材料的电荷传输能力：一是通过化学掺杂增强导电性；二是减少传输层厚度以降低垂直方向上的载流子传输距离。 8、为什么传统的聚合物HTMs难以实现超薄层？传统的聚合物HTMs难以实现超薄层，因为它们需要足够的表面覆盖，特别是在粗糙表面地形的基底上，这导致了使用超薄层的困难。 9、研究者们是如何通过引入吡啶基团来改善聚合物HTMs的性能的？研究者们通过在PTAA主链上引入吡啶基团作为侧链，增强了聚合物HTMs与基底之间的化学相互作用，从而能够制备出超薄、均匀且坚固的空穴传输层。 10、这种新型聚合物HTMs在哪些方面表现出色？这种新型聚合物HTMs在超薄层形成、能量水平优化、表面润湿性、溶液可加工性、缺陷钝化能力和设备稳定性等方面表现出色。 04制备方法 Synthetic routes
Device fabrication Device structure: ITO/HTM//C60 /BCP /Ag Pre-patterned glass/ITO substrates (1.5 cm ×2.0 cm) were washed by ultrasonic in soapy water, deionized water, and ethanol for 15 minutes, then treated with ultraviolet ozone for 20 minutes before further use. The CP1, CP2, CP3, CP4, and CP5 were dissolved in chlorobenzene at a concentration (0.1 mg mL-1, 0.5 mg mL-1, and 1.0 mg mL-1) and stirred in the ambient environment so that all polymers were completely dissolved in the solvent (the CP5 solution was filtered with a 0.22 μm filter before use). The prepared solution was spin coated on the glass/ITO substrates at 3000 rpm for 30 s and annealed at 100oC for 10 min in a nitrogen filled glovebox. The perovskite precursor was prepared by mixing 1.5 M FAPbI3 and MAPbBr3 perovskite precursor in a volume ratio of 98:2 in DMF: DMSO (4:1 volume ratio) with 9% PbI2 and PbBr2 excess respectively. Then, 40 μL of CsI solution in DMSO (1.5 M) and 15 mol% MACl were mixed with 960 μL of the above solution to obtain triple cation perovskite precursor. 70 μL perovskite precursors were spin coated on the HTL atop ITO substrates at 5000 rpm for 40 s (10 s acceleration to 5000 rpm). At 5 s before the end of spinning process, 200 μL mixed antisolvent (chlorobenzene: isopropanol = 9:1, v:v, containing 0.5 mM F-PEAI) was slowly dripped to the center of the film. The perovskite films were obtained by annealing at 100℃ for 50 min. Finally, 20 nm of C60, 7 nm of BCP and 100 nm of silver electrode were thermally evaporated. &&&---如需了解更多内容，请关注微信公众号：钙钛矿solarcell---&&& END
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