前言

铅卤化物钙钛矿展示了卓越的光电和光伏特性，并且溶液加工的可行性提供了经济有效的沉积途径，从而可能增加其作为下一代光伏技术（PV）潜在候选材料的可接受性。然而，其稳定性差和铅的毒性限制了其商业化的范围。为了弥合这一差距，人们正在大力尝试利用界面材料来提高稳定性，并开发一种环保的光伏用钙钛矿材料。双钙钛矿（Cs₂AgBiBr₆）是一种具有吸引力的薄膜光伏替代品，其具有增强的热稳定性、较低的毒性以及良好的光电特性，包括长的载流子寿命和适度的载流子迁移率。目前，大量的研究致力于提高Cs₂AgBiBr₆的太阳能电池的性能。包括创新的沉积工艺、染料敏化、添加剂工程、二元溶剂和界面工程等，以帮助形成高质量的薄膜，从而促进载流子传输，提高光电转换效率。尽管取得了这些进展，与具有相似能隙的基于铅基钙钛矿相比，PCE仍然远远低于预期。这需要采用新的研究方法来提高光伏性能。典型的器件结构FTO/ESL/Cs₂AgBiBr₆/HSL/Au（电子和空穴选择性层简称为ESL和HSL）已经实现了Cs₂AgBiBr₆太阳能电池的竞争性性能。其中，Spiro-OMeTAD是广泛研究的HSL。然而，Spiro-OMeTAD是无定形的，导电率和迁移率都很低，传输能力较差会促进载流子复合。需要额外的掺杂来提高材料的电学性能。但掺杂后又存在不少稳定性相关的问题。因此，如何合理设计开发功能化的HSL对于提高无铅双钙钛矿Cs₂AgBiBr₆太阳能电池的性能和稳定性至关重要。

工作内容

近日，西南交通大学前沿科学研究院黄鹏研究员在双钙钛矿Cs₂AgBiBr₆太阳能电池空穴传输层分子设计中取得新的进展。相关成果“Molecular Tailoring of Pyridine Core-Based Hole Selective Layer for Lead Free Double Perovskite Solar Cells Fabrication”发表在ACS Appl. Energy Mater（DOI: 10.1021/acsaem.3c01027）。第一作者为黄鹏研究员，通讯作者是印度理工学院Rajneesh Misra教授和西班牙巴斯克先进材料中心Shahzada Ahmad教授。该工作主要针对双钙钛矿Cs₂AgBiBr₆电荷转移速率低而影响太阳能电池光电性能的问题，设计了一系列吡啶基小分子空穴传输层。其中PyDAnCBZ在靠近吡啶核心的地方具有更高的自旋密度，因此臂与吡啶核心的紧密结合使得PyDAnCBZ能够有效地提取空穴。使用Cs₂AgBiBr₆作为光吸收层和PyDAnCBZ作为空穴选择性层制备的太阳能电池，其光电转换效率达到了前所未有的2.9%。此外，计算路线图表明，通过对Cs₂AgBiBr₆进行微调，可以实现约5%的效率。本工作揭示了设计用于电光应用的小分子的原则，以及开发无铅无机钙钛矿材料用于太阳能应用的协同途径。

小结

本文工作开发并评估了四种以吡啶为基础的小分子作为p型选择性材料，研究了臂长对电光性质的影响，并推断出臂调制具有重要影响。使用PyDAnCBZ制备的无铅双钙钛矿Cs₂AgBiBr₆太阳能电池表现出优于其他材料的性能。与其他化合物相比，PyDAnCBZ具有更大的超精细耦合常数和峰对峰线宽，这表明在吡啶核心附近有更高的自旋密度。电学测量表明，PyDAnCBZ有助于改善载流子传输。此外，PyDAnCBZ作为空穴选择性层的太阳能电池还表现出优异的热稳定性和湿度稳定性。本研究工作对于如何设计分子材料用于钙钛矿太阳能电池空穴传输层具有重要指导意义。