导语
钙钛矿太阳能电池（PSCs）的效率已媲美单晶硅电池，但长期稳定性问题阻碍其商业化进程。近日，研究团队在《Advanced Materials》发表重磅研究，设计了一类基于螺-吩噻嗪（PTZ）的新型空穴传输材料（HTM），其中氟功能化衍生物（PTZ-Fl）在小面积电池中实现25.75%的认证效率，25 cm²组件效率达22.07%，并在ISOS-L3老化测试中保持80%效率超过1000小时，性能与稳定性全面超越传统Spiro-OMeTAD！
核心创新点
- 分子设计突破：
- 以螺-吩噻嗪为核心骨架，通过不对称引入萘基、氟代芳烃或芴基（PTZ-Fl）调控能级与热稳定性。
- PTZ-Fl的芴基单元形成π-π堆叠（3.5–4.7 Å），增强Li⁺锚定能力，抑制离子迁移。
- 性能全面碾压Spiro-OMeTAD：
- ISOS-L3（65°C/60%湿度）：1000小时后保持80%效率（对照组80小时失效）。
- ISOS-D1（室温黑暗）：3600小时效率衰减<5%。
- 效率：25.75%（小面积，认证25.2%），22.07%（25 cm²模块）。
- 稳定性：
- 规模化潜力：
- 5×5 cm组件PL成像显示均匀性提升，RMS粗糙度偏差仅1.25（对照组3.30），适合大面积制备。
关键实验与发现
1. 材料特性优化
- 热稳定性：PTZ-Fl的玻璃化转变温度（Tg）达187°C（掺杂后153°C），远高于Spiro-OMeTAD（125°C→62°C），抑制高温相分离。
- 能级匹配：HOMO能级（-5.21 eV）与钙钛矿价带对齐，减少电压损失。
- 疏水性：接触角77.8°（Spiro-OMeTAD仅61.9°），显著提升湿度稳定性。
2. 界面工程与缺陷钝化
- Li⁺锁定机制：PTZ-Fl通过芴基-吩噻嗪包裹构象动态捕获Li⁺（结合能-3.48 eV），ToF-SIMS证实其减少钙钛矿层内Li⁺迁移。
- 钝化层互嵌：PTZ-Fl与2D钝化剂m-PEAl形成紧密界面（S···O作用，3–5 Å），阻断离子扩散通道。
3. 器件性能验证
- 高效率低损耗：PL量子产率（PLQY）从5.4%（对照组）提升至11.3%，准费米能级分裂（QFLS）损失仅58 mV。
- 无迟滞效应：J-V曲线正反扫偏差可忽略，填充因子（FF）达83.63%。
意义与展望
该研究通过分子设计-界面调控-规模化验证的全链条创新，解决了HTM材料效率-稳定性-成本的不可能三角：
- 成本：合成成本约47–75 €/g，接近Spiro-OMeTAD商业化阈值。
- 应用前景：团队已开发25 cm²组件工艺，为钙钛矿组件量产奠定基础。
原文链接：DOI: 10.1002/adma.202505475
