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华东理工大学化学与分子工程学院吴永真教授/朱为宏教授团队与合作者针对有机空穴传输材料器件应用中普遍面临的电荷输运效率低、界面缺陷浓度高等问题，在空穴传输分子上创新引入氰基膦酸单元，发展双亲性小分子空穴传输材料，通过动态自组装构筑有序、超薄、表面超浸润薄膜，一石二鸟完美解决了器件应用中载流子输运和界面缺陷控制两大难题。研究工作以“Minimizing buried interfacial defects for efficient inverted perovskite solar cell”为题，华东理工大学为第一单位发表于国际顶级学术期刊《科学》（Science）上。
图1.“双亲性”小分子空穴材料动态组装“双层”膜结构，实现表面超浸润、大面积制备与器件中层间界面缺陷控制
有机空穴传输材料作为一类重要的有机半导体材料，广泛应用于有机发光二极和新型太阳能电池器件中。有机半导体领域普遍认为n-型的电子传输材料发展相对滞后，而p-型的空穴传输材料则相对成熟。其实不然，在光电器件应用中有机空穴传输材料仍面临诸多问题，其中最突出的问题是其低迁移率特性限制电荷输运性能。
动态锚定自组装，构筑有序超薄膜突破空穴输运瓶颈：为了解决这些问题，华东理工大学的吴永真和朱为宏教授提出利用动态锚定自组装策略构筑单分子层水平的均匀、有序、超薄电荷传输层，大幅度提升空穴输运效率，验证了自组装超薄膜器件应用的可行性（Chem. Commun.,2019, 55, 13239; Adv. Funct. Mater.2020, 30, 1909509；中国发明专利：CN201910499186.2），并通过系统设计分子的连接单元和锚定基团证实该策略的普适性（Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2103847；ACS Mater. Lett.,2022, 4, 1976; Natl. Sci. Rev.2023, DOI: 10.1093/nsr/nwad057）。
双亲性设计，实现表面超浸润与界面缺陷控制：系统比较羧酸、磺酸、膦酸、硼酸、氰基乙酸等锚定基团后，在最新的工作中设计了新一代氰基膦酸锚定有机空穴传输材料（图1A）。强吸电子性氰基的引入增加了膦酸的去质子能力和锚定基团的亲水性，使得该小分子材料具有独特的双亲性特征，易溶于各种不同极性的溶剂，包括水、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺、乙醇、异丙醇、乙酸乙酯、甲苯和氯苯等。这种超宽的可选溶剂窗口赋予材料灵活的加工方法和广泛的应用场景。
利用该双亲性小分子空穴传输材料，通过动态锚定自组装在透明导电基底氧化铟锡（ITO）上构筑了“双层”膜结构，即“锚定自组装有序单分子层”+“未锚定混乱无序覆盖层”（图1B）。发生化学锚定的自组装有序单分子层能够牢固的附着在ITO表面确保高效的空穴选择与输运，而未锚定的混乱无序覆盖层由于分子的双亲性和易溶解特征使其表面具有超浸润特性（图1C），不仅有利于上层大面积薄膜的均匀制备，而且能有效降低层间界面缺陷浓度（图1D-E）。
解决载流子输运和界面缺陷难题，突破反式钙钛矿太阳电池认证效率纪录：研究人员所发展的新型小分子空穴传输材料具有可锚定、易溶解、易加工、超浸润等多项优点。基于这种新型有机空穴传输材料制备的反式结构钙钛矿太阳电池在第三方机构的认证效率达到25.39%（图2A），为目前该类太阳电池的最高认证效率（图2B）。此外，该新型有机空穴传输材料良好的浸润性十分有利于制备大面积的器件，1 cm2的器件和10 cm2的模组（图2C）分别实现了23.4%和22.0%的效率。该类材料目前已申请中国发明专利（公开号：CN115403619A）
图2. 新型有机空穴传输材料提升太阳电池器件性能
该论文是华东理工大学首次以第一通讯单位在Science期刊上发表的研究性论文，华东理工大学博士生张硕和叶方圆、吉林大学博士生王啸宇以及华中科技大学陈锐博士为论文共同第一作者，华东理工大学吴永真教授和朱为宏教授、波茨坦大学Martin Stolterfoht博士、吉林大学张立军教授、华中科技大学陈炜教授为论文通讯作者。研究工作得到了田禾院士和韩礼元教授的悉心指导，上海科技大学宁志军教授、中科院化学所林禹泽研究员和上海交通大学王言博助理教授在材料表征方面给予了大力支持。该研究工作还得到了国家自然科学基金、教育部材料生物学与动态化学前沿科学中心、上海市科技重大专项、上海市基础研究特区计划、费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心等项目资助。
朱为宏（共同通讯作者）：朱为宏，现任华东理工大学副校长、精细化工研究所所长。国家杰出青年基金获得者（2013年），科技部重点研发项目首席科学家，曾入选教育部长江学者特聘教授（2015年）、中组部万人计划科技创新领军人才（2016年）、国务院特殊津贴（2018年）、上海市科技精英（2022年）、教育部新世纪优秀人才（2007年）、上海市学术带头人（2015年）。目前主要从事化学产品工程研究，涉及光敏化学品功能化及产品化。迄今已在Nature、Science、Nature Photonics、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem、Adv. Mater.、Matter、Nature Commum.、Energy Environ. Sci.、National Science Review、Sci. China. Chem.、CCS Chem.、AIChE J.、IECR 等期刊上发表 SCI论文330余篇，共被SCI引用近2.2万余次， H指数为78，科睿唯安化学领域“高被引科学家”（Highly Cited Researchers）。申请中国发明专利36项，其中28项已授权，曾获国家自然科学奖二等奖两项（2019年，第一完成人；2007年，第三完成人）、上海市自然科学奖一等奖两项（2017年，第一完成人；2006年，第三完成人）、上海市科技进步奖一等奖（2020年，第一完成人）、上海市牡丹奖等。目前担任中国化工学会染料专委会副主任委员、中国化工学会精细化工专业委员会常务委员等，并担任Green Chemical Engineering 副主编、《过程工程学报》副主编、《影像科学与光化学》常务副主编、Science China Chemistry 编委、ACS Applied Bio Materials (ACS-ABM) 编委、Dyes and Pigments 编委、Green Energy and Environment 编委等。
吴永真（共同通讯作者）：华东理工大学化学与分子工程学院教授、博士生导师。2013年博士毕业于华东理工大学应用化学专业，之后在日本国立物质材料研究所（NIMS）从事博士后研究，2016年回国工作。主要研究方向为有机光电功能材料与器件。在Science、Nat. Energy、Nature Commum.、Matter、Angew、Chem. Int. Ed.等国际主流学术期刊上发表SCI收录论文80余篇，被SCI他引11000余次，H指数45。入选科睿唯安交叉领域2019-2022年全球高被引学者，曾获得国家自然科学二等奖（2019年，第三完成人）、上海市自然科学一等奖（2017年，第三完成人）、中国化学会青年化学奖等奖励。先后入选上海市东方学者、中国化学会“青年人才托举工程”和国家自然科学基金委“优秀青年科学基金”等人才项目资助。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg3755
图1. “双亲性”锚定自组装有机空穴传输材料和“双层”膜结构提升表面浸润性，提高钙钛矿光活性层薄膜质量
图2. 新空穴传输材料减少钙钛矿活性层埋底界面缺陷、提升界面接触
图3. 氰乙烯基膦酸基团钝化钙钛矿晶体表面深能级缺陷
图4. 新型有机空穴传输材料提升太阳电池器件性能及稳定性
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