AMR Account｜南京理工大学徐勃教授和西湖大学孙立成院士：螺芴氧杂蒽类有机空穴传输材料分子设计及光伏电池应用

近日，南京理工大学徐勃教授课题组和西湖大学孙立成院士团队的AMR述评文章“Spiro[fluorene-9,9’-xanthene]-Based Hole-Transporting Materials for Photovoltaics: Molecular Design, Structure-Property Relationship, and Applications”在线发表。论文聚焦螺芴氧杂蒽(SFX)类有机空穴传输材料(HTM)的分子设计与光伏器件应用，总结了SFX类有机HTM在钙钛矿太阳能电池(PSCs)和固态染料敏化太阳能电池(sDSCs)中的研究进展，同时展望了该类材料的应用前景与挑战。

关键词：螺芴氧杂蒽，有机空穴传输材料，分子设计，光伏电池

文章内容简介

有机空穴传输材料(Organic Hole Transporting Material，HTM)作为新一代光伏电池的重要组成部分，承担着器件中空穴的收集与传输，对光伏电池的光电转化效率和稳定性起着至关重要的作用，尤其是新兴起的钙钛矿太阳能电池(PSC)和固态染料敏化太阳能电池(sDSCs)器件中不可或缺的p型半导体材料。

螺环芳烃是一类具有十字交叉构型的芳烃类分子砌块，是重要的有机空穴传输材料构筑单元，其独特的非平面螺共轭效应、十字交叉构象以及空间位阻效应，可有效提高有机HTM的成膜性、稳定性和光电性能。螺芴氧杂蒽(SFX)利用芴酮与苯酚为原料，在酸的催化下一锅法合成螺环，收率高达80%以上，克服了传统螺环芳烃螺二芴(SBF)合成路线冗长、原料价格昂贵等问题，成为新一代有机半导体材料的核心构筑单元。尤其是基于螺芴氧杂蒽(SFX)为核的有机HTM在钙钛矿光伏电池领域展现出了极大的应用前景。

在此述评中，我们全面深入地总结了过去十年中，我们在螺芴氧杂蒽(SFX)类有机空穴传输材料领域的研究进展。我们从分子尺度出发，1)通过化学手段构筑新型螺芴氧杂蒽母体单元，有效提升了材料分子的共轭性和空间立体性，从而提高材料的空穴迁移率和热稳定性；2)通过取代基团修饰策略，有效调控了材料的能级、溶解性和分子堆积，从而改善材料的传输性和成膜性；3)探索了螺芴氧杂蒽类有机空穴传输材料的分子结构与材料性能及器件效率之间的关联机制，并建立可靠的理论模型；4)利用开发的高性能螺芴氧杂蒽类空穴传输材料制备了高效稳定的钙钛矿太阳能电池(PSC)和固态染料敏化太阳能电池(sDSCs)，为实现高性能、低成本钙钛矿光电技术的商业化应用奠定基础。我们的述评文章及研究工作将对发展新体系的有机空穴传输材料提供新的思路，并丰富有机空穴传输材料分子的基本设计原理，为未来设计特定性能的光电功能器件提供精准的材料支持，具有重大的科学研究意义和实际应用价值。最后，我们对螺芴氧杂蒽(SFX)类有机空穴传输材料研究领域提出了未来的设想及发展建议。

02 AMR：请问您选择该领域的初心是？

作者团队：

有机空穴传输材料作为新型光电子器件的重要组成部分，承担着器件中空穴的产生、收集与传输，对器件的光电转化效率和稳定性起着至关重要的作用，尤其是新兴起的钙钛矿太阳能电池(PSC)、钙钛矿发光二极管(PeLED)、量子点发光二极管(QLED)，以及未来柔性、半透明和可穿戴光电子器件不可或缺的p型半导体功能材料。目前，业内对有机空穴传输材料的研发已经达到了一定高度，但1)有机空穴传输材料还面临着迁移率低、稳定性差的难题。尤其是在机理研究方面，2)有关有机空穴传输材料的空穴传输性能调控与提升，3)以及有机空穴传输材料分子结构与其光电器件性能之间的关联机制等仍然处于探索阶段，亟待深入研究。因此，我们希望从源头出发，通过分子创制发展新体系有机空穴传输材料，并深入理解HTM分子结构与材料性能之间的构效关系，丰富有机空穴传输材料分子的基本设计原理，为未来设计特定性能的光电功能器件提供精准的材料支持，推动新型光伏技术和有机电子领域的持续进步，实现可再生能源的广泛应用。

03 AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会!

作者团队：

尽管我们前期在基于SFX的有机HTM的分子设计与光伏器件应用中取得了一系列进展，但领域内仍然存在一些悬而未决的挑战：1)如何进一步设计高效SFX-HTM降低太阳能电池中界面的能量损失，从而显著提升器件整体效率与稳定性？2)如何设计开发高效、空气稳定、可溶液加工的p型掺杂剂，进一步提升SFX-HTM的导电性？3)SFX-HTM在大面积钙钛矿太阳能电池中的性能表现如何？4)SFX-HTM的不同的加工方法，如卷对卷、狭缝式涂布、刮涂和喷墨印刷是否可行？5)SFX-HTM在其它光电子器件中的应用潜力如何，如钙钛矿发光二极管(PeLEDs)、量子点发光二极管(QLEDs)和柔性电子器件等等？解决这些挑战将对推动SFX类有机HTM的在新型光电子领域的实际应用至关重要。

作者团队简介

南京理工大学

材料科学与工程学院

徐勃 教授

徐勃，南京理工大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。2020年入选国家级青年人才项目，2019年荣获瑞典国王奖“King Carl XVI Gustaf Anniversary Award”。2015年博士毕业于瑞典皇家工学院（导师：孙立成院士），2015年至2020年分别在美国华盛顿大学、瑞典乌普萨拉大学和瑞典皇家工学院从事博士后和研究员工作。2020年11月加入南京理工大学，建立“有机电子材料与器件”实验室，主要研究方向为新型有机半导体材料的设计、制备及其在光伏电池、发光显示和柔性电子中的应用研究。主持国家自然科学基金面上项目，瑞典国王基金项目。发表学术论文70余篇，其中以第一作者以及通讯作者在Adv. Mater., Chem, Energy Environ. Sci.,等期刊发表论文40余篇，论文共引用超过6000余次，9篇论文入选ESI“高被引论文”，H因子为40。已经开发出一系列低成本、高效率有机小分子空穴传输材料用于钙钛矿光伏电池，例如X51、X55、X59和X60，并被Sigma-Aldrich和瑞典Dyenamo AB公司商业出售。

西湖大学理学院

孙立成 院士

孙立成，中国科学院院士，欧洲化学会会士(Chemistry Europe Fellow)，英国化学会会士(FRSC)，人工光合作用领域专家。曾任瑞典皇家工学院分子器件讲席教授，大连理工大学—瑞典皇家工学院分子器件联合研究中心主任，现任西湖大学讲席教授、西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心主任。他分别于1984年、1987年和1990年获大连理工大学学士、硕士和博士学位。1990-1992年在北京中国科学院原感光化学研究所作助理研究员,1992-1993年在德国马普辐射化学研究所作博士后,1993-1995年在德国柏林自由大学有机化学系作洪堡学者，1995-1999年在瑞典皇家工学院作助理教授、1999-2004在斯德哥尔摩大学有机化学系任副教授，2004年10月受聘瑞典皇家工学院分子器件讲席教授(Chair Professor in Molecular Electronics)。2017年入选瑞典国家研究理事会杰出教授(VR Distinguished Professor)。2020年3月全职回国加盟西湖大学，现任西湖大学理学院化学讲席教授、西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心主任。

瑞典乌普萨拉大学

(Uppsala University)

Gerrit Boschloo 教授

Gerrit Boschloo, Gerrit Boschloo studied Molecular Sciences at the Wageningen Agricultural University (the Netherlands) and obtained bachelor degree in 1991. He performed PhD research at the Delft University of Technology 1992-1996 in the Applied Inorganic Chemistry and defended his Ph.D. thesis on December 10th, 1996. He held post-doctoral positions at University College Dublin (Ireland) and Uppsala University (Sweden). Between 2005-2008 he was employed as a researcher at the Royal Institute of Technology in Stockholm. Currently, he is Professor of Physical Chemistry at the Department of Chemistry - Ångström Laboratory, Uppsala University, where he leads the solar cell research group. His main research interests are advanced photoelectrochemical characterization of dye-sensitized solar cells and in-depth investigations of lead halide perovskite solar cells. He is author of more than 250 peer-reviewed articles (H-index 78) and appears on the Highly Cited Researchers list for 2018 (Clarivate Analytics). Since 2019, Gerrit is associate editor of ACS Applied Energy Materials.

瑞典皇家工学院

(KTH Royal Institute of Technology)

Lars Kloo 教授

Lars Kloo，Professor of Chemistry at the Royal Institute of Technology (KTH) since 1998. Received a PhD in Inorganic Chemistry at Lund University in 1990. Experience as post-doctoral fellow/visiting scientist at Liverpool University, Cornell University and Auckland University. Docent at Lund University 1994. Main research interests have focused on new media for inorganic synthesis and electrochemically active electrolytes for solar cells based on ionic liquids and hybrid systems, experimental and theoretical characterization of inorganic, organometallic, bioinorganic, solid-solid, and solid-liquid interfaces, as well as pharmaceutical drugs. More than 250 research and review articles in refereed scientific journals, which have been cited more than 15,000 times. Extensive teaching experience within physical, inorganic and materials chemistry, as well as pedagogics such as research supervision at KTH.

南京理工大学

材料科学与工程学院

罗鑫 博士研究生

罗鑫，南京理工大学材料科学与工程学院博士研究生，导师为徐勃教授。2021年于上海工程技术大学获得硕士学位，目前研究方向主要为有机半导体的合成及光电器件应用。

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Spiro[fluorene-9,9’-xanthene]-Based Hole-Transporting Materials for Photovoltaics: Molecular Design, Structure-Property Relationship, and Applications

Xin Luo, Gerrit Boschloo, Lars Kloo, Licheng Sun*, and Bo Xu*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.3c00195

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