编辑推荐：
为解决传统螺环结构有机空穴传输材料（HTMs）用于钙钛矿太阳能电池（PSCs）时存在的吸湿性、低导电性和易降解等问题，研究人员设计合成了两种基于 1,3,6 - 三取代薁的 HTMs（AZU-AT 和 AZU-AF），AZU-AF 器件效率达 24.04% 且稳定性好，为相关材料设计提供参考。
在全球对可再生能源需求日益增长，全力应对气候变化等环境问题的大背景下，太阳能作为清洁能源的重要代表，备受关注。钙钛矿太阳能电池（PSCs）凭借着较高的转换效率、较低的成本以及易于加工等优势，成为了科研领域的 “宠儿”。如今，单结钙钛矿太阳能电池的功率转换效率（PCE）已突破 26%，逐渐向硅太阳能电池看齐。
然而，在钙钛矿太阳能电池的核心组件中，空穴传输层（HTL）虽对电池性能和稳定性起着关键作用，但传统的螺环结构有机空穴传输材料（HTMs），像 2,2′,7,7′- 四（N,N-p - 二甲氧基苯基氨基）-9,9′- 螺二芴（Spiro-OMeTAD），却存在诸多弊病。其吸湿性强，容易吸收空气中的水分，影响电池内部的电荷传输；电导率低，使得电荷在传输过程中受到阻碍，降低了电池的转换效率；而且还容易降解，导致电池的使用寿命大大缩短。这些问题严重限制了钙钛矿太阳能电池的性能提升和长期稳定性，也阻碍了其商业化的步伐。
为了攻克这些难题，国内研究人员开启了一场探索之旅。他们将目光聚焦在薁（Azulene）这种独特的化合物上。薁由一个富电子的五元环和一个缺电子的七元环组成，具有特殊的化学结构。其基态和第一激发态之间的带隙较小，分子偶极矩较大（1.08 D），拥有良好的 π 共轭平面结构，这些特性都有利于电子传输。并且，薁的特殊前沿轨道分布使得通过化学修饰来调节其物理结构和能级变得相对容易。基于此，研究人员设计并合成了两种新型的基于 1,3,6 - 三取代薁的有机小分子空穴传输材料，分别命名为 AZU-AT 和 AZU-AF。
研究人员开展的这项研究意义非凡。通过巧妙地调控薁核心 1,3,6 - 位的外围取代基团，他们成功地优化了材料的性能。在 6 - 位引入供电子的 4 - 甲氧基苯甲酰基后，不仅增强了薄膜的形成性能，还对最高占据分子轨道（HOMO）能级进行了有效调整。最终，这两种 1,3,6 - 三取代薁基空穴传输材料在钙钛矿太阳能电池中的表现，远超 1,3 - 二取代薁衍生物。其中，AZU-AF 凭借着更深的 HOMO 能级和更出色的电荷提取能力，使电池获得了超过 24% 的高功率转换效率，同时具备良好的长期稳定性，在相对湿度 40 - 50% 的环境下老化 1000 小时后，仍能保持初始效率的 80% 左右。这一成果为薁基电荷转移材料的设计与合成提供了宝贵的参考，也为钙钛矿太阳能电池的发展注入了新的活力。该研究成果发表在《Dyes and Pigments》上。
研究人员开展研究时，用到的主要关键技术方法包括：通过1H NMR 光谱、13C NMR 光谱以及高分辨率质谱（HRMS）对中间体和产物的分子结构进行确认；设计并实施了 AZU-AF 和 AZU-AT 的合成路线，部分合成步骤所得粗产品纯度较高，可直接用于下一步反应，无需柱层析纯化。
设计与合成
研究人员设计并展示了 AZU-AF 和 AZU-AT 的合成路线，通过一系列化学反应成功制备出目标化合物。利用1H NMR 光谱、13C NMR 光谱以及高分辨率质谱（HRMS）对中间体和产物的分子结构进行精确确认，相关谱图在支持信息中可查。部分合成步骤得到的粗产品纯度足够高，无需柱层析即可用于后续反应，这表明这两种分子的合成难度并不高。
性能研究
将 AZU-AT 和 AZU-AF 作为空穴传输材料应用于钙钛矿太阳能电池中进行性能测试。结果显示，这两种 1,3,6 - 三取代薁基空穴传输材料的表现均优于之前报道的 1,3 - 二取代薁衍生物。其中，AZU-AF 具有更深的 HOMO 能级和更好的电荷提取能力，基于 AZU-AF 的器件展现出优异的电荷载流子特性和薄膜形貌，最终实现了 24.04% 的冠军效率，且稳定性良好。
结论与讨论
研究人员成功设计并合成了 AZU-AT 和 AZU-AF 这两种 1,3,6 - 三取代薁基空穴传输材料。在钙钛矿太阳能电池中，它们的性能优于之前报道的 1,3 - 二取代薁衍生物，这得益于 6 - 位引入的 4 - 甲氧基苯甲酰基增强了薄膜形成性能。此外，AZU-AF 在 1,3 - 位含有芴基取代基，使其具有更好的能级匹配、溶解性和薄膜形貌。基于 AZU-AF 的钙钛矿太阳能电池实现了高功率转换效率和良好的稳定性。
这项研究为薁基电荷转移材料的设计与合成提供了重要参考，为解决传统空穴传输材料的缺陷、提升钙钛矿太阳能电池性能开辟了新途径，有望推动钙钛矿太阳能电池在可再生能源领域的广泛应用，助力全球能源转型，应对环境挑战。
