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該工作創(chuàng)新引入氰基膦酸單元，發(fā)展雙親性小分子空穴傳輸材料，通過動態(tài)自組裝構(gòu)筑有序、超薄、表面超浸潤層，一石二鳥完美解決了器件應用中載流子輸運和界面缺陷控制兩大難題。這是朱為宏教授團隊繼發(fā)表Nature（Nature, 2022, 604, 72–79）后取得的又一重大突破，也是華東理工大學首次以第一通訊單位在Science期刊上發(fā)表的研究性論文。

圖1. “雙親性”小分子空穴傳輸材料動態(tài)組裝“雙層”膜結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)表面超浸潤、大面積制備與器件界面缺陷控制

有機空穴傳輸材料作為一類重要的有機半導體材料，已經(jīng)在靜電復印、激光打印和有機發(fā)光二極管等領(lǐng)域取得了大規(guī)模的商業(yè)化應用，同時也在新型光伏技術(shù)（如染料敏化太陽電池、有機光伏電池和鈣鈦礦太陽電池）中發(fā)揮著重要作用。但在光電器件應用中有機空穴傳輸材料仍面臨諸多問題，其中最突出的問題是其低遷移率特性限制電荷輸運性能。

針對低遷移率材料的電荷輸運瓶頸問題，領(lǐng)域內(nèi)主要通過引入“化學摻雜”提升薄膜電導率，但其過程復雜，制備難度高、重現(xiàn)性差，且不利于器件的長期穩(wěn)定性。該研究團隊經(jīng)過長期研究積累和大量實驗探索，創(chuàng)新提出錨定自組裝策略，有效解決載流子輸運和界面缺陷控制兩大難題。主要創(chuàng)新成果包括：

動態(tài)錨定自組裝，構(gòu)筑有序超薄膜突破空穴輸運瓶頸：為了解決這些問題，華東理工大學吳永真和朱為宏教授提出利用動態(tài)錨定自組裝策略構(gòu)筑單分子層水平的均勻、有序、超薄電荷傳輸層，大幅度提升空穴輸運效率，前期工作中驗證了自組裝超薄膜的器件應用可行性（Chem. Commun., 2019, 55, 13239; Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1909509；中國發(fā)明專利：CN201910499186.2），并通過系統(tǒng)設(shè)計分子的連接單元和錨定基團證實了該策略的普適性（Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2103847；ACS Mater. Lett., 2022, 4, 1976; Natl. Sci. Rev. 2023, DOI: 10.1093/nsr/nwad057）。

雙親性設(shè)計，實現(xiàn)表面超浸潤與界面缺陷控制：系統(tǒng)比較羧酸、磺酸、膦酸、硼酸、氰基乙酸等錨定基團后，在最新的工作中設(shè)計了新一代氰基膦酸錨定有機空穴傳輸材料（圖1）。強吸電子性氰基的引入增加了膦酸的去質(zhì)子能力和錨定基團的親水性，使得該小分子材料具有獨特的雙親性特征，易溶于各種不同極性的溶劑，包括水、二甲基亞砜、N,N-二甲基甲酰胺、乙醇、異丙醇、乙酸乙酯、甲苯和氯苯等。這種超寬的可選溶劑窗口賦予材料靈活的加工方法和廣泛的應用場景。

利用該雙親性小分子空穴傳輸材料，通過動態(tài)錨定自組裝在透明導電基底氧化銦錫（ITO）上構(gòu)筑了“雙層”膜結(jié)構(gòu)，即“錨定自組裝有序單分子層”和“未錨定混亂無序覆蓋層”。發(fā)生化學錨定的自組裝有序單分子層能夠牢固的附著在ITO表面確保高效的空穴選擇與輸運，而未錨定的混亂無序覆蓋層由于分子的雙親性和易溶解特征使其表面具有超浸潤特性，不僅有利于上層大面積薄膜的均勻制備，而且能有效降低層間界面缺陷濃度。

解決載流子輸運和界面缺陷難題，突破反式鈣鈦礦太陽電池認證效率紀錄：研究人員所發(fā)展的新型小分子空穴傳輸材料具有可錨定、易溶解、易加工、超浸潤等多項優(yōu)點?；谠撔滦陀袡C空穴傳輸材料制備的反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽電池在第三方機構(gòu)的認證效率達到25.39%（圖2），為目前該類太陽電池的最高認證效率。此外，該新型有機空穴傳輸材料良好的浸潤性十分有利于制備大面積器件，1 cm²的器件和10 cm²的模組分別實現(xiàn)了23.4%和22.0%的效率。需指出的是，該類材料不僅適合于鈣鈦礦電池，還可用于有機聚合物太陽電池，具有很好的通用性，目前已申請中國發(fā)明專利（申請?zhí)枺?02210922068.X）。

圖2. 新型有機空穴傳輸材料提升太陽電池器件性能

華東理工大學博士生張碩和葉方圓、吉林大學博士生王嘯宇以及華中科技大學陳銳博士為論文共同第一作者，華東理工大學吳永真教授和朱為宏教授、波茨坦大學Martin Stolterfoht博士、吉林大學張立軍教授、華中科技大學陳煒教授為論文共同通訊作者。研究工作得到了田禾院士和韓禮元教授的悉心指導，上?？萍即髮W寧志軍教授、中科院化學所林禹澤研究員和上海交通大學王言博助理教授在材料表征方面給予了大力支持。該研究工作還得到了國家自然科學基金、教育部材料生物學與動態(tài)化學前沿科學中心、上海市科技重大專項、上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)、費林加諾貝爾獎科學家聯(lián)合研究中心等項目資助。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg3755

知識產(chǎn)權(quán)：

一類含氰基磷酸單元的空穴傳輸材料、制備方法及其用途，中國發(fā)明專利（申請?zhí)枺?02210922068.X）