近日，《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）期刊在线发表了电子科技大学光电科学与工程学院李世彬教授课题组的最新科研进展《Electrophilic Molecule-Induced π-π Interactions Reduce Energy Disorder of Hole Transport Layer for Highly Efficient Perovskite Solar Modules》。该工作巧妙地将亲电分子2,6-二氟-3-硝基苯甲腈（FCNO2）引入到NiOx/PTAA空穴传输层中，实现了NiOx/PTAA能量无序性的显著降低和界面质量的提高，为实现高效率和高稳定性的钙钛矿光伏模组提供了新的技术路线。学院博士生王磊为论文第一作者，李世彬教授及博士后袁世豪为该论文的通讯作者。
《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）是英国皇家化学会（Royal Society of Chemistry）旗下的顶级期刊，专注于发表极具重要性和高质量、引领研究方向的论文，致力于解决全球和社会面临的关键挑战，即确保能源供应和保护未来环境。期刊年刊载量仅400余篇，为环境科学及能源与燃料等行业领域中的国际一流期刊。
倒置结构的钙钛矿光伏器件中使用NiOx/PTAA或NiOx/SAM作为共空穴传输层已经成为一种普遍的方法。然而，PTAA和SAM存在严重的疏水性和易团聚问题，阻碍了器件性能的进一步提高。针对这一问题，团队开展了空穴传输层（HTL）能量无序性对界面载流子动力学的研究，实现钙钛矿光伏组件效率及稳定性的显著提升。
该研究通过共组装亲电性的分子与PTAA有效降低了NiOx/PTAA的能量无序性和提高其界面质量。分子的亲电性越强，其与PTAA之间的π-π相互作用力越大，PTAA的分子链越有序。其中，FCNO2表现出最强的亲电性，因此显著地增强了PTAA分子链的有序堆积，从而降低了HTL的能量无序性（图1）。此外，FCNO2的引入降低了PTAA对钙钛矿墨水的润湿性，从而降低了钙钛矿薄膜在成核过程中的非均相成核自由能，制备出底表面无针孔的高质量钙钛矿薄膜（图2）。
图1 HTL能量无序性对空穴传输的影响以及FCN, FNO2和FCNO2对HTL能量无序性的影响
图2 NiOx/PTAA接触角的变化与钙钛矿非均相成核能之间的关系
基于空穴传输层性能的提高和钙钛矿薄膜质量的改善，在10cm×10cm的光伏组件（活性面积，57.3cm2）中获得了20.6%的高效光电转化效率，并且得到了20.3%的认证效率，这是迄今为止光圈面积超过50cm2的倒置钙钛矿光伏组件的论文报道中最高记录值。采用该方法制备的封装组件在1个太阳光下连续工作1500小时仍能保持初始效率的94%，证明了其具有优异的工作稳定性（图3）。
图3 FCNO2对钙钛矿光伏组件效率和稳定性的影响
该工作得到了国家自然科学基金（62104028, 62174021, 62104219）、四川省科技厅创新群体（2023NSFSC1973）、四川省科技计划项目（MZGC20230008）、中国博士后科学基金（2021M700689）、四川恒立聚能光电科技有限公司等的大力支持。
