4月28日，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（science）在線報(bào)道了華東理工大學(xué)吳永真教授/朱為宏教授團(tuán)隊(duì)與合作者在有機(jī)空穴傳輸材料領(lǐng)域最新研究成果。

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(guò)動(dòng)態(tài)自組裝構(gòu)筑有序、超薄、表面超浸潤(rùn)層，一石二鳥(niǎo)完美解決了器件應(yīng)用中載流子輸運(yùn)和界面缺陷控制兩大難題。這是朱為宏教授團(tuán)隊(duì)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(xué)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(dòng)態(tài)組裝“雙層”膜結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)表面超浸潤(rùn)、大面積制備與器件界面缺陷控制

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

針對(duì)低遷移率材料的電荷輸運(yùn)瓶頸問(wèn)題，領(lǐng)域內(nèi)主要通過(guò)引入“化學(xué)摻雜”提升薄膜電導(dǎo)率，但其過(guò)程復(fù)雜，制備難度高、重現(xiàn)性差，且不利于器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究積累和大量實(shí)驗(yàn)探索，創(chuàng)新提出錨定自組裝策略，有效解決載流子輸運(yùn)和界面缺陷控制兩大難題。主要?jiǎng)?chuàng)新成果包括：

動(dòng)態(tài)錨定自組裝，構(gòu)筑有序超薄膜突破空穴輸運(yùn)瓶頸：為了解決這些問(wèn)題，華東理工大學(xué)吳永真和朱為宏教授提出利用動(dòng)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(yùn)效率，前期工作中驗(yàn)證了自組裝超薄膜的器件應(yīng)用可行性（chem. commun., 2019, 55, 13239; adv. funct. mater. 2020, 30, 1909509；中國(guó)發(fā)明專利：cn201910499186.2），并通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分子的連接單元和錨定基團(tuán)證實(shí)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(jì)，實(shí)現(xiàn)表面超浸潤(rùn)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(tuán)后，在最新的工作中設(shè)計(jì)了新一代氰基膦酸錨定有機(jī)空穴傳輸材料（圖1）。強(qiáng)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(tuán)的親水性，使得該小分子材料具有獨(dú)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(yīng)用場(chǎng)景。

利用該雙親性小分子空穴傳輸材料，通過(guò)動(dòng)態(tài)錨定自組裝在透明導(dǎo)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(wú)序覆蓋層”。發(fā)生化學(xué)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(yùn)，而未錨定的混亂無(wú)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(rùn)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(yùn)和界面缺陷難題，突破反式鈣鈦礦太陽(yáng)電池認(rèn)證效率紀(jì)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(rùn)等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)?；谠撔滦陀袡C(jī)空穴傳輸材料制備的反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽(yáng)電池在第三方機(jī)構(gòu)的認(rèn)證效率達(dá)到25.39%（圖2），為目前該類太陽(yáng)電池的最高認(rèn)證效率。此外，該新型有機(jī)空穴傳輸材料良好的浸潤(rùn)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(shí)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(jī)聚合物太陽(yáng)電池，具有很好的通用性，目前已申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專利（申請(qǐng)?zhí)枺?02210922068.x）。

圖2. 新型有機(jī)空穴傳輸材料提升太陽(yáng)電池器件性能

華東理工大學(xué)博士生張碩和葉方圓、吉林大學(xué)博士生王嘯宇以及華中科技大學(xué)陳銳博士為論文共同第一作者，華東理工大學(xué)吳永真教授和朱為宏教授、波茨坦大學(xué)martin stolterfoht博士、吉林大學(xué)張立軍教授、華中科技大學(xué)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(dǎo)，上?？萍即髮W(xué)寧志軍教授、中科院化學(xué)所林禹澤研究員和上海交通大學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金、教育部材料生物學(xué)與動(dòng)態(tài)化學(xué)前沿科學(xué)中心、上海市科技重大專項(xiàng)、上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)、費(fèi)林加諾貝爾獎(jiǎng)科學(xué)家聯(lián)合研究中心等項(xiàng)目資助。

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

知識(shí)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(guó)發(fā)明專利（申請(qǐng)?zhí)枺?02210922068.x）