基于分子的選擇性接觸，已成為確保高效倒置鈣鈦礦太陽能電池的關鍵組成部分。這些分子總是由雜原子取代的共軛核組成，以提供理想的載流子傳輸能力。

到目前為止，成功的共軛核設計僅限于兩種n取代π共軛結構，咔唑和三苯胺，分子優化是圍繞它們的衍生物進行的。

然而，這種雜原子取代結構對分子穩定性的限制，阻礙了器件壽命的進一步提高。迫切需要在不犧牲電子特性的情況下，實現更強大的分子接觸，但這仍然是一個挑戰。

在此，來自浙江大學的薛晶晶&西湖大學的王睿等研究者報道了一種沒有雜原子取代的多芳香族核結構，它比傳統的雜原子取代核心結構具有更好的載流子傳輸和選擇性。相關論文以題為“peri-Fused polyaromatic molecular contacts for perovskite solar cells”于2024年07月24日發表在Nature上。

與普通電池相比，倒置鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)，在設備耐用性、串聯結構兼容性以及市場整合潛力方面具有優勢。近年來，隨著分子基孔選擇觸點的出現，倒置PSCs的研究得到了推動，這提高了器件的功率轉換效率(PCEs)。

這些分子具有共軛部分，通常可以在透明電極和鈣鈦礦的界面上自組裝成單層或多層，以確保有效的電荷傳輸。其獨特的特性，如易于制造，最小化寄生吸收和結構可調性，使其優于傳統的選擇性觸點，成為實現高效倒置PSCs不可或缺的因素。

這種選擇性接觸的分子設計，通常涉及雜原子取代的π共軛烴結構。在共軛核中引入雜原子，如N、S和O，通常被認為可以提供來自孤電子離域的富集電子密度，從而確保有效的電荷傳輸能力。最成功的分子連接核心是咔唑和三苯胺(及其衍生物)，它們都是n取代的雜環結構。分子結構優化的廣泛研究，如側鏈工程、雜原子插入和官能團裁剪，因此圍繞這兩個支柱發展起來。

然而，雜原子取代結構往往承諾理想的電子性能，但結構完整性降低。在雜原子取代時，由于化學鍵的極化，反應位點可以同時引入，導致潛在的結構不穩定，特別是在偏壓和照明等外場下。

在保持高電子性能的同時，為分子接觸提供更多的惰性共軛核對于PSCs的長期穩定性至關重要，這是其商業化的主要障礙，但尚未被發現。

在此，研究者報道了一個分子結構，(2-(芘-1-基)乙基)膦酸，命名為Py3，可用于構建一個強大的分子接觸。與迄今為止報道的所有選擇性接觸分子不同，Py3具有芘的共軛核，沒有任何雜原子取代，同時在界面上表現出特殊的電子性質。其周圍融合的多芳族結構是化學惰性和構象剛性，允許一個安全的分子界面有效的電荷提取。

深入的溫度依賴光譜研究表明，Py3中的分子間堆積和非調和相互作用得到了顯著增強，這有助于提高分子接觸的性能。用Py3構建的倒置PSC的PCE為26.1%。

在不同的加速老化測試中，目標設備顯示出超過10,000小時的預計T90(太陽能電池退化到初始效率90%的時間)，表明它們對外部刺激的抵抗力大大提高。

圖1 組裝Py3作為PSCs分子接觸點的基本性質。

圖2 Py3分子堆積和結構剛度的機理研究。

圖3 堆疊方向和由此產生的載流子行為。

圖4 PSCs的光伏性能。

綜上所述，研究者報道了一種周圍融合的多芳族結構，作為一種替代常用的雜原子取代共軛核，用于構建PSCs中基于分子的選擇性接觸。廣泛的電子離域與組裝分子接觸的高結構剛性相結合，協調了電荷傳輸效率和結構耐久性，這是限制PSCs壽命的長期問題。

研究者相信，該配方將極大地擴展分子庫，用于設計PSCs和其他分子電子學中的選擇性接觸，并鼓勵超越雜原子取代慣例的研究。這種分子設計的化學和結構可靠性預計將有助于PSCs的商業化。

PS：薛晶晶，浙江大學博士生導師。2016年于南京大學化學化工學院取得學士學位。2016年-2021年，在加州大學洛杉磯分校（UCLA）材料科學與工程學院攻讀博士學位，師從半導體光電材料與器件領域國際著名學者楊陽教授。

王睿，西湖大學工學院助理教授，獨立PI，1993年生，遼寧錦州人，2015年獲吉林大學工學學士學位，2016年獲加州大學伯克利分校碩士學位。2016.9-2019.12就讀于加州大學洛杉磯分校，師從楊陽教授，獲博士學位。

有趣的是，師兄妹竟然前后都獲入選過福布斯中國及亞太30歲以下30人，以及麻省理工科技評論全球科技創新35人。實力之強，讓人咋舌。

據悉，這已經不是兩人的第一次聯手了，早在幾年前，曾聯手發過兩篇Science！

而就在去年，兩人也早已聯手發過Nature！

【參考文獻】

Zhao, K., Liu, Q., Yao, L. et al. peri-Fused polyaromatic molecular contacts for perovskite solar cells. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07712-6

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07712-6