新型共聚物空穴传输层cPTANMe在Sn-Pb钙钛矿太阳能电池中实现光损耗降低与电荷提取增强

【编辑推荐】针对传统空穴传输层PEDOT:PSS和PTAA在Sn-Pb钙钛矿太阳能电池中存在的寄生吸收和能级失配问题，研究人员开发了新型共聚物cPTANMe。该材料显著降低光学损耗，优化能级排列，提升电荷提取效率，同时改善钙钛矿层结晶性，最终实现23.2%的光电转换效率，为全钙钛矿叠层电池技术奠定基础。

　　

在清洁能源领域，钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其可调带隙、高吸光系数和低成本制备等优势成为研究热点。其中，锡-铅（Sn-Pb）共混钙钛矿因其1.3eV的理想带隙，被视为全钙钛矿叠层电池中底部电池的关键材料。然而，传统空穴传输层（HTL）如PEDOT:PSS存在严重的寄生吸收问题，其吸收光谱与Sn-Pb钙钛矿在950nm处重叠；而另一种常用材料PTAA虽能减少光损耗，却因最高占据分子轨道（HOMO）能级偏低导致电荷提取效率不足。这些问题严重制约了Sn-Pb PSCs性能的进一步提升。

为突破这些瓶颈，来自台湾省的研究团队（通讯作者C.-T. L.获台湾科技部资助）设计合成了一种新型共聚物TTA-mesityl-b-TTA-(dimethylamino)propoxy（cPTANMe）。该研究通过系统比较cPTANMe与PEDOT:PSS、PTAA的光电特性，发现cPTANMe不仅将寄生吸收降低至传统材料的1/3，还通过引入二甲氨基丙氧基侧链优化了HOMO能级（-5.2eV），使其与Sn-Pb钙钛矿形成理想的能级偏移。更值得注意的是，cPTANMe诱导生长的钙钛矿晶粒尺寸增大30%，并有效抑制了埋底界面空洞的形成。这些协同效应使得基于cPTANMe的Sn-Pb PSCs实现了23.2%的认证效率，为全钙钛矿叠层电池突破29%效率提供了关键材料支撑。相关成果发表于《Materials Today Energy》。

关键技术方法包括：1）采用倒置器件结构ITO/HTL/Sn-Pb perovskite/C₆₀/BCP/Ag；2）通过紫外光电子能谱（UPS）测定HTLs的能级排列；3）利用外量子效率（EQE）光谱量化寄生吸收损失；4）采用掠入射X射线衍射（GI-XRD）分析钙钛矿结晶性；5）通过扫描电子显微镜（SEM）观察界面形貌。

【HTLs表征】
光学测试显示cPTANMe在300-1000nm波段的吸光度仅为PEDOT:PSS的20%，尤其在950nm关键波长处几乎无吸收。电化学测试证实其HOMO能级（-5.2eV）较PTAA上移0.3eV，与Sn-Pb钙钛矿形成0.4eV的理想能级差，促进空穴提取。

【器件性能】
基于cPTANMe的冠军器件实现23.2%的PCE（认证值），开路电压（V_oc）提升至0.86V，填充因子（FF）达81.3%。EQE谱显示其在850-1050nm波段的响应度较PTAA器件提高15%。

【薄膜特性】
GI-XRD显示cPTANMe诱导的钙钛矿（110）晶面衍射峰半高宽减小32%，表明结晶度提升。截面SEM证实其界面空洞密度比PEDOT:PSS降低90%，这归因于共聚物中mesityl基团与Pb²⁺的配位作用。

该研究通过分子工程策略，首次实现了HTL材料在光学损耗、能级排列和界面调控三方面的协同优化。cPTANMe的成功开发不仅推动单结Sn-Pb PSCs效率逼近铅基钙钛矿（26.1%），更重要的是为全钙钛矿叠层电池突破Shockley-Queisser极限提供了可扩展的解决方案。作者特别指出，该共聚物的合成工艺与现有旋涂工艺完全兼容，具备产业化应用潜力。未来研究将聚焦于cPTANMe在叠层器件中的集成验证及其长期稳定性评估。