许宗祥：基于三丙基修饰铜酞菁的高效钙钛矿太阳能电池空穴传输材料

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有机/无机杂化钙钛矿材料的研究热潮肇始于其在光伏太阳电池中的突出应用效果。最新报道的钙钛矿太阳电池（PSC）的最高光电转化效率已达到23%以上。光电转换效率(PCE)和器件稳定性是钙钛矿型太阳能电池的两大重要技术指标。作为空穴载流子传输的通道，空穴传输材料（HTM）在钙钛矿太阳能电池中有着重要的作用。通过分子设计，提高HTM半导体性能，不但可以降低载流子复合率，提高光电转换效率，而且可以隔绝钙钛矿活性材料与水氧接触，提高器件稳定性。目前高效率钙钛矿太阳能电池广泛采用的空穴传输材料是Spiro-OMeTAD，但由于Spiro-OMeTAD：（1）合成复杂、提纯困难导致价格高昂；（2）需要掺杂金属盐提高导电能力，导致器件稳定性下降，极大限制了其在钙钛矿太阳能电池的应用推广。开发免掺杂的可溶性空穴传输材料已经成为该技术领域的重点研究攻关方向。

金属酞菁配合物分子结构可控性强；合成、纯化过程简易；具有良好热力学和的化学稳定性、高载流子迁移率和良好的半导体特性，被广泛应用于各类光电子器件中。近期，南方科技大学化学系许宗祥教授课题组，基于团队前期研究成果：使用含八甲基取的金属（II）酞菁作为免掺杂HTM，获得了PCE超过15％的高效稳定的钙钛矿太阳能电池（Nano Energy, 2017, 31:322-330; Journal of Materials Chemistry A, 2017, 5, 24416-24424）。许宗祥团队进一步通过烷基链工程调控酞菁分子结构，通过在酞菁环引入四个丙基长链烷烃，获得可溶液加工的免掺杂铜酞菁基空穴传输材料CuPrPc，制备n-i-p型平面异质结钙钛矿太阳能电池器件，平均PCE达到了17.0 ± 0.5％，最高PCE达到17.8％，稳态效率达到17.0%，超过了同等条件下制备的基于掺杂spiro-OMeTAD的器件性能（17.5%）。

器件及薄膜研究发现，沉积在钙钛矿的CuPrPc可通过较强的π-π相互作用形成紧密的分子堆叠，掠射X射线衍射（GIXRD）揭示了沉积在钙钛矿上的CuPrPc存在两种分子取向，其中face-on的分子排列方式有利于光伏器件中载流子的传输，加之其分子间较强的π-π相互作用，CuPrPc的空穴迁移率达到21.6×10-3 cm2/Vs；稳态荧光光谱显示CuPrPc可以获得98.60％的淬灭效率，证明该材料具有更好的空穴提取能力。同时光滑致密薄膜的形成及长链烷烃的疏水性能可以有效阻止了水氧对钙钛矿的侵蚀，大幅度提高了器件稳定性。无封装器件在室温75%湿度下运行800小时，仍可维持超过94%以上的初始效率。

值得注意的是，作为应用于钙钛矿太阳能电池的空穴传输材料，CuPrPc是继三聚茚构建基团之后的又一可在钙钛矿上形成face-on堆积的免掺杂空穴传输材料，同时也是酞菁基空穴传输材料中首个可溶液加工呈现face-on分子堆积的免掺杂空穴传输材料。相信通过对金属酞菁分子的进一步烷基链分子工程调控，有望获得具有更高器件性能的高效空穴传输材料。这一成果近期发表在Solar RRL（DOI: DOI: 10.1002/solr.201800050）上, 并被选为该刊的封面文章。