钙钛矿太阳能电池（PSC）的能量转换效率（PCE）已达到26.1%。高效稳定的PSC的制备不仅依赖于高质量的钙钛矿薄膜，还依赖于优异的中间层和电荷传输层。对于利用氧化物电子传输层（如TiO₂或SnO₂）的PSC，设计具有足够高HOMO能级的空穴传输层（HTL）对于确保器件内的有效空穴提取至关重要。理想的HTL还应具有良好的特性，包括良好的成膜性、空穴传输、在加热下抵抗形态降解以及有效缓解内部和外部物种扩散。与小分子半导体相比，聚合物半导体的分子量范围通常为10⁴至107。除了表现出典型的弹性形变外，聚合物材料在加热到其玻璃化转变温度以上时还表现出高弹形变，从而产生具有增强的机械强度和改进的抗断裂性的薄膜。尽管在PSC中对不同的半导体聚合物进行了详尽的实验，但迄今为止，没有一种聚合物同时表现出PCE超过24%和在85°C下的耐久性。

  近期，浙江大学化学系王鹏教授课题组基于密度泛函理论（DFT）计算，将氧杂[5]螺烯（O5H）、3,4-乙撑二氧噻吩（EDOT）、10-（2-辛基十二烷基）-10H-吩恶嗪（POZ）和3,4-乙撑二氧噻吩（EDOT）取代一半的O5H，得到一种四元交替共聚物（p-O5H-E-POZ-E, 图1）。理论计算表明，p-O5H-E-POZ-E的HOMO能级与spiro-OMeTAD相当，其玻璃化转变温度（268°C）显著超过spiro-OMeTAD（153°C）和PTAA（118°C）。研究发现，高溶解性的p-O5H-E-POZ-E可以与空气掺杂辅助试剂双（三氟甲磺酰基）亚胺锂（LiTFSI）共混，在各种衬底上形成均匀致密的薄膜，具有良好的电荷传输性。以p-O5H-E-POZ-E为HTL的PSC实现的最高PCE为25.7%，平均PCE为24.9%，在同样条件下，超过spiro-OMeTAD（平均PCE为24.0%）和PTAA（平均PCE为21.6%）的对照电池。重要的是，基于p-O5H-E-POZ-E的PSC在85 °C下老化1000 h，PCE保有率为93%; 在40 ^oC最大功率点（MPP）追踪500 h, PCE保有率为98%，显著优于对照电池。此外，全面的器件降解分析表明: p-O5H-E-POZ-E因具有高弹性模量、高断裂强度、高内聚能密度、高疏水性和低离子扩散性等关键性能，从而赋予PSC优异的热稳定性和操作稳定性。该研究为同时具有溶液可加工性、优异的电荷传输性能和力学性能的半导体聚合物的设计提供了独特的视角。

图1. 两种基于螺烯的半导体聚合物和对照共聚物的化学结构，以及用于钙钛矿太阳能电池的最先进的空穴传输材料。

图2. 能级和光诱导的空穴提取

图3. LiTFSI辅助空气掺杂有机半导体

图4. 光伏性能和表面形态

图5. 太阳能电池在85 °C下的热稳定性和器件降解分析

图6. 老化后的太阳能电池中钙钛矿层的形态与水渗透

图7. 太阳能电池的操作稳定性和HTL中的离子扩散

  该工作以“A helicene-based semiconducting polymer for stable and efficient perovskite solar cells”为题发表Cell Press旗下材料领域顶级期刊Matter上（Matte 2023,6, 1-19）。文章的第一作者是浙江大学的2019级博士生贺丽飞和张雨燕，通讯作者为王鹏教授。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发项目和湖南省科技创新项目的支持。

  原文链接：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(23)00463-0

  下载：A helicene-based semiconducting polymer for stable and efficient perovskite solar cells