钙钛矿太阳能电池(PVSCs)具有能量转换效率高和成本低的优点，近些年在光伏领域受到广泛关注。有机空穴传输材料(HTMs)作为PVSCs的重要组成部分，往往需要通过引入掺杂剂来提高其空穴传输能力。然而，掺杂过程不仅增加了材料的成本，还会对器件长期稳定性造成负面影响。近年来，虽然已有大量高效有机非掺杂HTMs被开发出来，但它们需要使用甲苯或氯苯等有毒溶剂进行加工，不符合产业需求。因此，PVSCs的商业化迫切需要开发绿色溶剂可加工的有机非掺杂HTMs。
要想实现非掺杂，有机HTMs的分子结构设计通常需要引入大的π共轭骨架和分子偶极以增强分子间相互作用，进而提高空穴迁移率。然而，该结构设计往往牺牲了其在绿色溶剂中的溶解度和膜加工性能。因此，设计合成兼具高迁移率和绿色溶剂加工性能的有机HTMs极具挑战性。近日，华中科技大学李忠安教授课题组发展了一种简单而有效的结构设计策略来解决这以挑战，即构筑星形D-A-D结构。他们以具有吸电子能力的3,5-二氰基吡啶(DCP)为平面核单元，甲氧基取代芳胺衍生物为扭曲末端单元开发了一类可由绿色溶剂2-甲基苯甲醚(2MA)加工的星形D-A-D有机非掺杂HTMs（BTP1-2），其中BTP1在反式PVSCs中实现了24.34%的高器件效率，是目前报道的基于绿色溶剂加工HTMs的最高器件效率之一。此外，他们还发现，具备扭曲分子内电荷转移(TICT)和分子聚集诱导发光(AIE)特性的BTP1-2在光照后会形成电荷分离结构，能够进一步钝化钙钛矿缺陷，为设计高效HTMs提供的一个新思路。
得益于DCP上的杂原子官能团，BTP1-2均可与Pb2+和I2等钙钛矿中的主要缺陷产生相互作用, 从而钝化钙钛矿缺陷，抑制非辐射复合。此外，作为反式器件中钙钛矿生长的基底，BTP1与Pb2+的强相互作用可以促进钙钛矿形成质量更高的多晶薄膜。
荧光光谱表明BTP1-2在光激发下会产生TICT态，同时具有AIE特性，因此，薄膜状态下BTP1-2受激发产生的电荷分离结构可以稳定存在。在不同基底上生长的钙钛矿样品，其荧光强度表现出对激发波长不同的相关性，表明该电荷分离结构能够进一步增强对钙钛矿缺陷的钝化作用。
BTP1具有高效的空穴提取和传输能力与合适的能级，同时兼具对钙钛矿缺陷有效的钝化作用以及对钙钛矿晶体生长的促进作用，最终，基于2MA加工的BTP1器件表现出24.34%的高器件性能和优异的长期稳定性。该工作为设计可绿色溶剂加工的高性能非掺杂HTMs提供了新的思路，同时揭示了反式器件中光照下HTMs激发态对钙钛矿缺陷钝化的影响。
论文信息
Green-solvent Processable Dopant-free Hole Transporting Materials for Inverted Perovskite Solar Cells
XinYu Yu, Danpeng Gao, Dr. Zhen Li, Dr. Xianglang Sun, Dr. Bo Li, Prof. Zonglong Zhu, Prof. Zhong'an Li
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202218752
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