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Green Carbon文章 | 东南大学李崇文教授：全碳基芘分子接触层对钙钛矿太阳能电池的启发

已有 288 次阅读 2025-12-19 17:36 |个人分类:Green Carbon|系统分类:科研笔记

英文原题：Pyrene-based Molecular Contacts Inspire Perovskite Solar Cells

作者：Tingting Zhu, Zhaoning Song, Yanfa Yan, Chongwen Li*

01 论文信息

论文信息

Zhu T, Song Z, Yan Y, et al. Pyrene-based Molecular Contacts Inspire Perovskite Solar Cells[J]. Green Carbon, 2025.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2024.11.007

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Pyrene-based Molecular Contacts Inspire Perovskite Solar Cells

中文解读原链接

Green Carbon文章 | 东南大学李崇文教授：全碳基芘分子接触层对钙钛矿太阳能电池的启发

02 背景简介

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通过优化分子基的空穴选择性接触层，倒置结构的钙钛矿太阳能电池（PSC）的能量转换效率（PCE）得到了有效提升。该类分子通常由咔唑官能团与膦酸锚定基团构成，可形成自组装的单层或多层膜，便于在大面积金属氧化物基底上沉积。这些分子不仅能调控基底的功函数，还能以较低的材料消耗有效降低器件中的光电损耗。尽管其应用潜力巨大，实现PSC器件的长期稳定性仍是一项关键挑战。在这一背景下，分子结构的设计成为研究焦点。目前已开发出数百种基于π共轭碳氢化合物骨架的分子，其共轭核心中通常引入了氮（N）、硫（S）或氧（O）等杂原子。尽管这些杂原子的存在有助于改善电子性能，但在外部刺激（如光照、热或化学环境）下，其高反应性往往导致空穴选择性接触层在钙钛矿层下的结构和性能难以长期保持稳定。

来自东南大学李崇文教授团队于Green Carbon上发表题为“Pyrene-based Molecular Contacts Inspire Perovskite Solar Cells”文章，针对西湖大学王睿研究员实验室发表于Nature上的文章“peri-Fused polyaromatic molecular contacts for perovskite solar cells”进行了系统性分析和点评。

03 文章简介

全碳基芘分子Py3显著提升电荷传输能力

与常用共轭核(2-(9H-咔唑-9-基)乙基)膦酸（2PACz）相比，全碳基芘分子(2-(芘-1-基)乙基)膦酸（Py3）在导电原子力显微镜（c-AFM）测试中表现出更高的平均表面电流信号，表明其具有更优异的电荷传输能力。这一提升可能归因于Py3分子中更长的π共轭结构和更高的结构刚性，从而增强了电子的离域效应。以Py3作为选择性接触层构建的钙钛矿太阳能电池实现了创纪录的26.1%效率，显著优于传统2PACz器件。性能的提升主要得益于Py3提供的更好的界面接触，从而最大限度地减少了非辐射复合损失，并促进了更有效的电荷提取。

全碳基芘分子Py3显著提升器件稳定性

在光照条件下，核磁共振（NMR）结果表明，2PACz的降解源于杂原子N引入的反应位点，特别是极化C-N键发生N-脱烷基化反应，生成新化合物。相比之下，Py3的NMR谱图保持不变，说明其具有更高的化学稳定性和更低的反应活性。在热退火及二甲基甲酰胺（DMF）处理下，X射线衍射（XRD）显示2PACz的衍射峰发生偏移，表明其分子堆积构型不稳定；而Py3则保持稳定堆积模式。上述实验结果证明，全碳基Py3分子在光热等外部刺激下能更好地保持分子完整性。更重要的是，Py3的引入显著增强了钙钛矿器件的运行寿命。在55 °C下进行最大功率点（MPP）跟踪实验发现，2PACz器件仅保持峰值PCE的45%，而Py3器件在超过600小时运行后仍维持99%以上的初始效率。这种耐热、耐光性能在已报道的PSC中名列前茅，凸显了Py3在实现长期稳定钙钛矿太阳能电池方面的潜力。

总结及展望

通过去除共轭核心中的杂原子，全碳基芘分子Py3作为空穴选择性接触层显著提升了器件性能与稳定性，为全碳共轭结构材料的进一步研究提供了新思路。这类材料有望在各类电子器件中发挥更高效、更稳定的功能。尽管研究取得了重要进展，仍需解决自组装分子的聚集性、跨分子电荷传输机制不明及器件长期稳定性等挑战，未来仍有广阔的发展空间。

04 作者简介

李崇文 教授

李崇文，东南大学青年首席教授、博导，获国家级青年人才计划支持，Green Carbon青年编委。于美国托莱多大学获得物理学博士学位，师从鄢炎发讲席教授。博士毕业后，在加拿大多伦多大学/美国西北大学从事博士后研究，师从加拿大两院院士Edward Sargent教授。他的研究兴趣聚焦于新型薄膜半导体（光伏、探测、显示）与人工智能的交叉领域，涵盖半导体界面物理、新材料开发、多结器件在光伏及光电催化中的应用，以及人工智能驱动的光电子器件研发。以第一作者或通讯作者身份在Science、Nature、Nature Energy（2篇）和Nature Communications等顶尖期刊上发表论文逾20篇。曾获2020年度国家优秀自费留学生奖学金和2024年度福布斯中国青年海归菁英100人奖项。