钙钛矿太阳能电池（PSCs）中的埋底界面优化对于实现高效稳定的PSCs具有十分重要的作用。在各种器件结构中，平面反式结构的PSCs以其简单温和的器件制备工艺，优越的稳定性和可忽略不计的迟滞效应，吸引着广大研究者的兴趣。对于这种结构的器件而言，空穴传输材料（HTMs）不仅负责电荷的传输和提取过程，而且还影响钙钛矿薄膜的沉积，极大地影响着埋底界面的质量。到目前为止，反式器件的记录效率大多是通过以聚三苯胺（PTAAs）作为HTMs获得的。然而，这类材料具有较强的疏水性，其HOMO能级较浅且本身缺乏有效的钝化基团，因此通常会导致低质量的埋底界面，不利于高效和大面积器件的制备。

近日，华东理工大学吴永真教授课题组在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了题为“Improving Contact and Passivation of Buried Interface for High-Efficiency and Large-Area Inverted Perovskite Solar Cells”的文章（DOI: 10.1002/adfm.202109968）。为解决上述PTAAs的问题，提升埋底界面的接触和钝化，作者通过分子工程策略调控PTAAs的结构，即用多功能的吡啶基团取代了商业化广泛使用的PTAAs结构中的烷基基团，不仅调节了HOMO能级，改善了表面的浸润性，而且有效钝化了界面缺陷。通过将吡啶单元的连接位点从邻位（o-PY）逐步改变至间位（m-PY）及对位（p-PY），作者发现材料的亲水性和钝化能力是逐渐提升的，这主要是由于吡啶单元中氮原子及其孤对电子的裸露程度逐渐增加，从而增强了HTMs与钙钛矿之间的接触和相互作用。同时，基于这些HTMs的反式器件的开路电压和光电转换效率（PCE）也具有相同的增长趋势。最终，以p-PY作为HTM能够轻松沉积均匀的钙钛矿薄膜，而无需复杂的界面修饰层优化，在小面积（0.09 cm²）器件中实现了超过22%的高PCE。更重要的是，当把器件面积扩大10倍（1 cm²），仍可获得超过20%的PCE。这些结果是反式PSCs中的最高效率之一，表明p-PY在未来应用中具有很大的潜力。

 

图1 商业化的PTAAs（a）和本工作报道的吡啶功能化的PTAAs（b）的分子结构。

 

图2吡啶功能化的PTAAs（o-PY，m-PY和p-PY）的光学性质和能级。（a）紫外吸收和荧光光谱图;（b）以空白ITO为对照，HTM薄膜在ITO基底上的透过率图;（c）循环伏安图，扫描速率为0.01 V/s，四丁基六氟磷酸铵为电解质;（d）对应的能级示意图。

 

图3 HTMs薄膜性质测试。（a）AFM图;（b）钙钛矿前驱体溶液在不同HTM基底上的接触角测试，随着吡啶中氮原子裸露程度的增加，接触角逐渐减小;（c）光稳定性测试;（d）空穴迁移率测试。

 

图4 吡啶对钙钛矿沉积及界面钝化的影响。（a）钙钛矿薄膜在不同的HTM基底上的SEM图;（b）钙钛矿薄膜的荧光寿命和（c）稳态荧光光谱;（c，d）钙钛矿薄膜在玻璃和不同HTM基底上的荧光量子产率（PLQY）和准费米能级分裂（QFLS）图。

 

图5 不同连接位点调控吡啶与钙钛矿之间的相互作用。（a）吡啶功能化的PTAAs的单体及混合PbI₂后的核磁共振氢谱;（b）单体粉末及混合PbI₂后的V_C=N峰区域的红外吸收光谱（c）钙钛矿薄膜的XPS能谱图（Pb 4f）。

 

图6 PSCs的光伏性能。（a）反式器件结构示意图;（b）基于不同HTMs的最佳性能器件的J-V曲线图;（c）基于o-PY，m-PY和p-PY器件的V_OC和FF分布图;（d）使用p-PY作为HTM的大面积（1 cm²）器件的J-V曲线图。插图：实际器件的照片。

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http://doi.org/10.1002/adfm.202109968

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