制备、预测、验证三步曲，孙立成院士团队钙钛矿太阳能电池新玩法！

第一作者：大连理工大学博士研究生蒋晓庆和沈阳化工大学王东平副教授

通讯作者：大连理工大学孙立成教授、于泽副研究员和上海交通大学刘烽教授 

期刊：Advanced Energy Materials

计算软件：Gaussian 09

文章：Molecular Engineering of Copper Phthalocyanines: A Strategy in Developing Dopant-Free Hole-Transporting Materials for Efficient and Ambient-Stable Perovskite Solar Cells

DOI：10.1002/aenm.201803287

有机–无机杂化钙钛矿太阳能电池作为新型高效率、低成本太阳能电池在世界范围内引起广泛关注。短短几年时间内，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经超过23%，表现出巨大的商业化前景。进一步降低生产成本和提高器件的稳定性是钙钛矿太阳能电池大规模应用亟待解决的关键科学问题。近日，大连理工大学人工光合作用研究所在钙钛矿太阳能电池空穴传输材料领域取得了重要研究进展。

空穴传输层是钙钛矿太阳能电池中的关键组成部分，对电池的效率、稳定性以及生产成本起到至关重要的决定作用。酞菁铜是一类合成简便、价格低廉、具有优异稳定性的p-型有机半导体材料。

近年来，酞菁铜作为空穴传输材料在钙钛矿太阳能电池中的研究得到了极大关注。但是，目前采用酞菁铜空穴传输材料的高效率的钙钛矿太阳能电池仍然需要掺杂剂来提高电导率，因此大大降低了器件的空气稳定性。

孙立成院士团队于泽副研究员在前期工作的基础上（ChemSusChem2017, 10, 1838–1845；J. Mater. Chem. A 2017, 5, 17862–17866），进一步通过分子修饰酞菁铜的结构，制备了酞菁铜衍生物CuPc-Bu和CuPc-OBu（如图）。

随后，研究团队使用Gaussian 09对酞菁铜衍生物CuPc-Bu和CuPc-OBu对的重组能了DFT计算，预测其具有很大的潜力作为钙钛矿太阳能电池空穴传输材料。

虽然这两个酞菁铜衍生物在结构上非常相似，但它们的化学性质表现出很大的差异。CuPc-OBu的空穴迁移率为4.30 × 10^‒4 cm²∙V^‒1∙S^‒1，大大优于CuPc-Bu(1.23 × 10^‒4 cm²∙V^‒1∙S^‒1)。

通过掠入射广角X射线散射（GIWAXS）测试发现，CuPc-OBu具有较好的结晶性和较强的π-π相互作用。相比之下，CuPc-Bu呈现出edge-on的堆积方式，因此不利于垂直方向载流子的传输，导致空穴迁移率比较低。

采用非掺杂的CuPu-OBu作为空穴传输材料的钙钛矿太阳能电池最优取得了17.6%的光电转换效率，远远高于CuPc-Bu（14.3%）。

同时，CuPc-OBu表现出优异的疏水性能（接触角，106.5°），因此可以有效地阻止水分子对钙钛矿的破坏。和三维/二维钙钛矿吸光层相结合，采用CuPc-OBu的钙钛矿太阳能电池表现出良好的长时间空气稳定性。

未封装器件在室温85%高湿度的条件下运行120小时，仍然保持84%的初始效率。同等条件下，采用掺杂添加剂的Spiro-OMeTAD的器件效率快速衰减，仅仅维持了21%的初始效率。该工作为设计低成本、高性能以及高稳定性的钙钛矿太阳能电池空穴传输材料提供了新的思路。