浙大薛晶晶&西湖大学王睿，最新Nature！

基于分子的选择性接触，已成为确保高效倒置钙钛矿太阳能电池的关键组成部分。这些分子总是由杂原子取代的共轭核组成，以提供理想的载流子传输能力。

到目前为止，成功的共轭核设计仅限于两种n取代π共轭结构，咔唑和三苯胺，分子优化是围绕它们的衍生物进行的。

然而，这种杂原子取代结构对分子稳定性的限制，阻碍了器件寿命的进一步提高。迫切需要在不牺牲电子特性的情况下，实现更强大的分子接触，但这仍然是一个挑战。

在此，来自浙江大学的薛晶晶&西湖大学的王睿等研究者报道了一种没有杂原子取代的多芳香族核结构，它比传统的杂原子取代核心结构具有更好的载流子传输和选择性。相关论文以题为“peri-Fused polyaromatic molecular contacts for perovskite solar cells”于2024年07月24日发表在Nature上。

与普通电池相比，倒置钙钛矿太阳能电池(PSCs)，在设备耐用性、串联结构兼容性以及市场整合潜力方面具有优势。近年来，随着分子基孔选择触点的出现，倒置PSCs的研究得到了推动，这提高了器件的功率转换效率(PCEs)。

这些分子具有共轭部分，通常可以在透明电极和钙钛矿的界面上自组装成单层或多层，以确保有效的电荷传输。其独特的特性，如易于制造，最小化寄生吸收和结构可调性，使其优于传统的选择性触点，成为实现高效倒置PSCs不可或缺的因素。

这种选择性接触的分子设计，通常涉及杂原子取代的π共轭烃结构。在共轭核中引入杂原子，如N、S和O，通常被认为可以提供来自孤电子离域的富集电子密度，从而确保有效的电荷传输能力。最成功的分子连接核心是咔唑和三苯胺(及其衍生物)，它们都是n取代的杂环结构。分子结构优化的广泛研究，如侧链工程、杂原子插入和官能团裁剪，因此围绕这两个支柱发展起来。

然而，杂原子取代结构往往承诺理想的电子性能，但结构完整性降低。在杂原子取代时，由于化学键的极化，反应位点可以同时引入，导致潜在的结构不稳定，特别是在偏压和照明等外场下。

在保持高电子性能的同时，为分子接触提供更多的惰性共轭核对于PSCs的长期稳定性至关重要，这是其商业化的主要障碍，但尚未被发现。

在此，研究者报道了一个分子结构，(2-(芘-1-基)乙基)膦酸，命名为Py3，可用于构建一个强大的分子接触。与迄今为止报道的所有选择性接触分子不同，Py3具有芘的共轭核，没有任何杂原子取代，同时在界面上表现出特殊的电子性质。其周围融合的多芳族结构是化学惰性和构象刚性，允许一个安全的分子界面有效的电荷提取。

深入的温度依赖光谱研究表明，Py3中的分子间堆积和非调和相互作用得到了显著增强，这有助于提高分子接触的性能。用Py3构建的倒置PSC的PCE为26.1%。

在不同的加速老化测试中，目标设备显示出超过10,000小时的预计T90(太阳能电池退化到初始效率90%的时间)，表明它们对外部刺激的抵抗力大大提高。

图1 组装Py3作为PSCs分子接触点的基本性质。

图2 Py3分子堆积和结构刚度的机理研究。

图3 堆叠方向和由此产生的载流子行为。

图4 PSCs的光伏性能。

综上所述，研究者报道了一种周围融合的多芳族结构，作为一种替代常用的杂原子取代共轭核，用于构建PSCs中基于分子的选择性接触。广泛的电子离域与组装分子接触的高结构刚性相结合，协调了电荷传输效率和结构耐久性，这是限制PSCs寿命的长期问题。

研究者相信，该配方将极大地扩展分子库，用于设计PSCs和其他分子电子学中的选择性接触，并鼓励超越杂原子取代惯例的研究。这种分子设计的化学和结构可靠性预计将有助于PSCs的商业化。

PS：薛晶晶，浙江大学博士生导师。2016年于南京大学化学化工学院取得学士学位。2016年-2021年，在加州大学洛杉矶分校（UCLA）材料科学与工程学院攻读博士学位，师从半导体光电材料与器件领域国际著名学者杨阳教授。

王睿，西湖大学工学院助理教授，独立PI，1993年生，辽宁锦州人，2015年获吉林大学工学学士学位，2016年获加州大学伯克利分校硕士学位。2016.9-2019.12就读于加州大学洛杉矶分校，师从杨阳教授，获博士学位。

有趣的是，师兄妹竟然前后都获入选过福布斯中国及亚太30岁以下30人，以及麻省理工科技评论全球科技创新35人。实力之强，让人咋舌。

据悉，这已经不是两人的第一次联手了，早在几年前，曾联手发过两篇Science！

而就在去年，两人也早已联手发过Nature！

【参考文献】

Zhao, K., Liu, Q., Yao, L. et al. peri-Fused polyaromatic molecular contacts for perovskite solar cells. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07712-6

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07712-6