随着碳达峰、碳中和目标的提出，我国能源发展形势发生深刻变化，能源转型和结构调整的步伐进一步加快。光伏产业是推动我国能源变革、实现“双碳”目标的重要引擎。金属卤化物钙钛矿太阳能电池具有可溶液加工性、轻柔和光电性能优异等优势，被认为是可以与主流晶体硅电池竞争的下一代光伏技术。
在钙钛矿太阳能电池中，空穴传输材料（HTMs）起到至关重要的作用。聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺]（PTAA）是一种广泛应用于钙钛矿太阳能电池中的空穴传输材料，其高效的空穴提取能力和与钙钛矿活性层的化学惰性可用于制备多种高性能钙钛矿太阳能电池。然而，高疏水性的PTAA无法浸润钙钛矿前驱体溶液，使得大面积制备变得困难。近年来，咔唑磷酸(PACz)小分子型HTMs涌现，与PTAA不同的是，PACz型小分子HTMs依靠在导电玻璃（TCO）上形成自组装单体(SAM)层来提取空穴，但是其空穴传输性能对涂层厚度和衬底粗糙度敏感，以及其分子在TCO表面覆盖率低，限制了其在钙钛矿光伏电池器件中的应用。因此，开发对厚度和衬底粗糙度不敏感的高性能HTMs对于钙钛矿光伏电池的商业化至关重要。
图1.聚咔唑磷酸的合成路线
针对这些问题，威尼斯wnsr888(亚洲)集团有限公司陈尚尚课题组开发了首例新型聚咔唑磷酸（Poly-4PACz）空穴传输材料，合成路线见图1。该材料通过聚合咔唑磷酸小分子合成了一种新型HTM，所得Poly-4PACz与目前流行的小分子PACz HTMs相比具有几个关键优势。首先，与依赖于形成致密超薄SAM层的小分子PACz HTM不同，Poly-4PACz具有良好的导电性，因此对涂层厚度和TCO表面粗糙度不敏感，Poly-4PACz的磷酸基团不仅与TCO形成化学键，而且能够钝化钙钛矿层，抑制钙钛矿活性层/空穴传输层界面处的电荷复合。
图2.基于Poly-4PACZ的钙钛矿太阳能的光电性能表征
基于Poly-4PACz的空气刮涂小面积钙钛矿光伏电池的光电转换效率达到了24.4%（图2），同时，在钙钛矿光伏组件（25.0 cm2）实现了高达20.7%的光电转换效率，目标电池能够稳定运行1500小时，效率损失仅为6%（图3），光电转换效率和稳定性均远超基于传统小分子PACz材料的钙钛矿电池。
图3.电池的稳定性测试及光伏组件（25.0 cm2）
该工作以“Poly(carbazole phosphonic acid) as a versatile hole-transporting material for p-i-n perovskite solar cells and modules”为题，发表在Cell旗下能源子刊Joule（IF:46.048）上（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435123004439?via%3Dihub）上。我院2022级博士生任志军和香港科技大学博士交流生崔泽巍为该论文共同第一作者，陈尚尚为该论文首要通讯作者，香港科技大学颜河教授为联合通讯作者。以上研究工作得到基金委的支持和资助。该材料已经申请了发明专利，目前已有试剂公司在进行放大，如有合作意向，请与陈老师联系（schen@nju.edu.cn）。