科学网—大连理工大学于泽等：界面耦合设计助力PTAA基钙钛矿电池效率突破26%
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2026-4-13 11:33
| 系统分类: 论文交流
Interfacial Coupling Design Enhancing Hole-Transport in PTAA-Based Perovskite Solar Cells with Efficiency over 26%
Huaiman Cao, Xufan Zheng, Yue Qiang, Liangyu Zhao, Yulong Chen, Zhiguang Sun, Yingguo Yang*, Hin-Lap Yip* and Ze Yu*
Nano-Micro Letters (2026)18: 287
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02145-4
本文亮点
1. 拓展共轭配体：通过拓展π共轭的方式设计合成了两种三苯胺基共轭配体，N-TPEAI和P-TPEAI，其共轭尾部与常用空穴传输材料PTAA具有结构相似性。
2. 改善空穴传输：在二维钙钛矿内部，拓展π共轭策略使得相邻阳离子层之间的相互作用得到增强，加强了空穴传导；在2D/3D异质结界面，阳离子配体与PTAA作用增强，并调控了能级排列，促进了钙钛矿与空穴传输层之间的电荷输运。
3. PTAA基正式器件突破26%：采用P-TPEAI修饰的PTAA基正式器件获得了26.13%的光电转换效率，是目前以PTAA为空穴传输材料的2D/3D钙钛矿太阳能电池的最高效率。
研究背景
构建二维/三维钙钛矿异质结已被证明是提高光电转换效率和稳定性的一种有效方法。为了克服2D/3D钙钛矿异质结中的载流子传输问题，具有多芳香基团的大π共轭配体受到了研究人员的广泛关注。二维钙钛矿中的π共轭配体主要分为以下几类：烷基铵盐连接(1)多噻吩或稠合噻吩；(2)联苯、萘、蒽、芘和苝；(3)芳香酰亚胺；以及(4)三苯胺基配体等。对于具有大π共轭结构的配体，平衡二维钙钛矿的钝化效应和载流子输运能力是关键所在。然而，对二维钙钛矿内部载流子输运与配体结构的关系，共轭配体应用于2D/3D钙钛矿异质结的太阳能电池器件的研究仍然少见，尤其是三苯胺类配体的研究。考虑到三苯胺基配体的结构可调性和进一步优化器件性能的潜力，本研究对配体分子结构与器件性能之间的关系进行了系统研究。
内容简介
为平衡二维钙钛矿的钝化效应和载流子输运能力， 大连理工大学于泽教授团队 通过拓展π共轭结构设计合成了两种新型三苯胺类半导体配体，即N-TPEAI和P-TPEAI。N-TPEAI和P-TPEAI的区别在于额外苯环与三苯胺配体的二苯基部分的一个苯环的连接方式不同：N-TPEAI是通过稠合连接，而P-TPEAI则是通过共价键连接。本课题的研究目的分为两个方面：深入理解分子结构变化对配体的性质以及二维钙钛矿性能的影响；其次，鉴于配体与PTAA的结构相似性，研究配体与PTAA之间的相互作用以及对PTAA基器件性能的影响。结合密度泛函理论计算模拟和系列实验发现，P-TPEAI中的π拓展模式对增强二维钙钛矿内相邻间隔阳离子之间的分子间相互作用以及钙钛矿/PTAA界面的分子间相互作用具有更显著的影响，从而在器件中起到了协同的空穴转移促进作用。采用P-TPEAI钝化的PTAA基正式器件实现了26.13%的光电转换效率。
图文导读
I π拓展三苯胺功能化共轭配体设计，增强二维钙钛矿内部电荷传导
如图1所示，N-TPEAI和P-TPEAI具有相似的三苯胺类分子结构，其结构区别仅在于额外苯环的连接方式不同。二者较大的偶极矩有利于二维钙钛矿内部的载流子分离和传输。通过DFT模拟了两种二维钙钛矿的结构，其晶格间距与测试二维钙钛矿薄膜的XRD得到的数据相符。对比二维钙钛矿的结构发现，π共轭的拓展模式对阳离子排列具有明显影响。对于(N-TPEA)₂PbI₄，N-TPEA⁺阳离子对之间呈现边-面堆积，这可能是由于萘环具有较大的体积和刚性。虽然相邻阳离子层间表现为人字形排列，但萘环单元的大共轭结构对传导空穴是有利的。而对于(P-TPEA)₂PbI₄，P-TPEA⁺阳离子对的末端苯环之间为面-面的滑移平行堆积，这是因为末端苯环为共价键连接，旋转自由度更高。其中一个P-TPEA⁺阳离子中的末端苯环倾向于与另一个阳离子的两个末端苯环之间产生π-π相互作用。苯环单元的交叉平行位移排列将提供多种电荷输运通道，有利于(P-TPEA)₂PbI₄的面外空穴输运。通过计算阳离子对之间的结合能和空穴转移积分，佐证了阳离子间相互作用的增强与空穴转移能力的提升。同时，配体与PTAA之间的结合能和空穴转移积分计算说明，配体与PTAA之间具有强的相互作用，有利于钙钛矿与PTAA界面的空穴传输。
图1. N-TPEAI与P-TPEAI的分子结构；(N-TPEA)₂PbI₄和(P-TPEA)₂PbI₄的模拟结构。
II 构建2D/3D异质结，促进钙钛矿/PTAA界面电荷输运
图2. 2D/3D钙钛矿异质结的性质表征。
本研究通过测试XRD以及GIWAXS验证了2D/3D钙钛矿异质结的形成，如图2所示。稳态发光光谱与时间分辨发光光谱中，共轭有机铵碘化物配体修饰的FAPbI₃薄膜表现出减弱的发光强度和更短的发光寿命，这说明钙钛矿表面从3D到2D钙钛矿的更强的空穴提取过程。SCLC测试与导电AFM测试中，更高的空穴迁移率和平均表面电流也验证了经共轭有机铵碘化物配体修饰的钙钛矿薄膜具有更好的空穴传输能力。通过测试SEM和AFM，共轭有机铵碘化物配体修饰的薄膜具有不明显的晶界和更低的粗糙度，体现出碘盐的钝化作用，这同时通过XPS得到了验证。
通过测试配体的CV和UV-vis吸收光谱，说明配体与无机骨架之间呈现出type-II能级排列，这进一步解释了二维钙钛矿内部的空穴传输能力增强的原因。测试了共轭有机铵碘化物配体修饰的钙钛矿薄膜的UPS谱图，缩小的费米能级与VBM的能级差，证明共轭有机铵碘化物配体为p型材料。上移的VBM使得钙钛矿与PTAA之间呈现出type-II能级排列，有利于钙钛矿与PTAA之间的空穴传导(图3)。能级排列的优化通过测试KPFM得到了进一步验证。
图3. 通过共轭有机铵碘化物配体修饰优化能级排列。
III 共轭配体助力PTAA基正式器件效率突破26%
本研究中，制备了基于 FTO /SnO₂/FAPbI₃/PTAA/Au结构的正式器件，如图4所示。其中，经P-TPEAI修饰的器件实现了26.13%的功率转化效率(开路电压：1.201 V，短路电流：25.91 mA cm⁻²，填充因子：83.96%)。对器件进行了一系列的表征，瞬态光电流测试表明在共轭有机铵碘化物配体修饰的器件中，载流子提取和分离加快；光强依赖电压曲线以及Mott−Schottky测试说明修饰后的器件非辐射重组减少，缺陷被有效钝化。在追踪最大功率点的长期运行光热稳定性测试中，经P-TPEAI修饰的器件表现出更为优异的结果。在65 °C氮气中，最大功率输出点条件下运行1000小时，未封装器件保持了初始效率的~85%。
图4. 共轭配体修饰的器件的性能。
IV 总结
本研究中，通过拓展π共轭结构，开发了两种三苯胺类共轭配体，并将其应用于PTAA基2D/3D钙钛矿太阳能电池。通过密度泛函理论计算模拟和一系列实验研究表明配体中的π共轭拓展模式对相邻间隔阳离子之间的分子排列，以及配体与PTAA之间的分子间相互作用产生了显著影响。共轭配体的应用不仅增强了二维钙钛矿内部，还有效地改善了在钙钛矿/PTAA界面的空穴输运能力。经P-TPEAI修饰后，PTAA基器件的光电转换效率达到了26.13%，同时还具有出色的光热稳定性。这种效率和稳定性的明显提升凸显出π共轭配体在提高器件性能方面的重要性。通过使用共轭配体形成的二维钙钛矿与PTAA相结合，成功构建了一个同时兼具高效率和高光热运行稳定性的器件体系。该工作为发展高效稳定钙钛矿太阳能电池提供了一个有效的分子设计策略。
作者简介
于泽
本文通讯作者
大连理工大学 教授
▍ 主要研究 领域
钙钛矿和染料敏化太阳能电池中分子材料的设计合成。
▍ 主要研究成果
大连理工大学化工学院教授。2012年毕业于瑞典皇家工学院无机化学专业。博士期间主要从事染料敏化太阳能电池液体电解质的研究,导师为Lars Kloo教授。之后分别在澳大利亚莫纳什大学(合作导师：程一兵院士和Udo Bach教授)和大连理工大学(合作导师：孙立成院士)课题组做博士后。自2016年以来，主要研究方向为钙钛矿和染料敏化太阳能电池中分子材料的设计合成，包括“锁碘”材料、功能化铵盐界面材料、金属配合物电解质/空穴传输材料等。目前，以第一作者或者通讯作者发表SCI论文50余篇(其中IF > 10的论文24篇，中国科学院一区论文20篇)，其中包括Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、ACS Energy Lett.、Adv. Funct. Mater.、Energy Environ. Sci.、Sci. China Chem.等国内外知名期刊上。主持科技部国家重点研发计划政府间重点专项1项、国家自然科学基金委国际合作项目1项、国家自然科学基金项目2项、中国博士后科学基金面上项目1项。目前担任《 Chinese Chemical Letters 》(中国化学快报)青年编委。
▍ Email： ze.yu@dlut.edu.cn
叶轩立
本文通讯作者
香港城市大学 讲席教授
▍ 主要研究 领域
协同利用材料、界面和器件工艺等策略提高聚合物及钙钛矿光电器件的性能。
▍ 主要研究成果
香港城市大学讲席教授。2021年加入香港城市大学材料科学与工程学系及能源与环境学院,任职教授, 并出任香港清洁能源研究院副主任。2022年入选香港青年科学院院士。分别于2001年和2003年在香港中文大学材料系获得学士和硕士学位，2008年于美国华盛顿大学材料科学与工程系获得博士学位。2013-2020年于华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室任职教授。目前的研究方向主要集中于协同利用材料、界面和器件工艺等策略提高聚合物及钙钛矿光电器件的性能。在Nature, Science, Nat. Photonics, Joule, Nat. Commun.、Adv. Mater., Energy Environ. Sci.等期刊发表SCI研究论文>270篇，论文被引用 > 38000次，H-指数为102，并连续于2014至2022年度入选ESI全球「高被引科学家」。担任Matter杂志国际顾问, Science Bulletin及Nanomaterials期刊的编委会会员。
▍ Email： a.yip@cityu.edu.hk
杨迎国
本文作者
复旦大学 青年研究员
▍ 主要研究 领域
1)新型光电材料及微电子器件，如氧化镓、钙钛矿等；2)半导体表界面工艺调控及先进表征，如同步辐射等；3)真空镀膜及微电子学；4)集成电路工艺等。
▍ 主要研究成果
复旦大学微电子学院青年研究员。主要从事新型功能材料与器件制备及其先进表征研究，包括发光二极管(LED)、紫外-可见-X射线探测器、存储器、芯片的三维高精度无损检测、AI辅助功能器件高通量制备、同步辐射表征等。相关研究成果发表在Nature、Science、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、EES及国产高水平杂志eScience、JEC、物理学报、核科学与技术等SCI论文200余篇，h因子~68，引用>2万次，连续入选“科睿唯安全球高被引学者”、“全球前2%顶尖科学家榜单”等。
▍ Email： yangyingguo@fudan.edu.cn
撰稿：原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
关于我们
Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
Web: https://springer.com/4082
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