經(jīng)過近十余年的快速發(fā)展，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率超過25%，已經(jīng)成為了最具競爭力的光伏電池技術(shù)。但由于低溫溶液法制備的多晶鈣鈦礦薄膜不可避免地形成大量晶界，導致鈣鈦礦薄膜的缺陷密度較高，晶界缺陷與環(huán)境中水和氧的高度反應性導致鈣鈦礦薄膜的降解，進而降低了鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性。蘭州大學曹靖教授課題組近年來研究工作集中在：利用新型卟啉/酞菁配合物修飾穩(wěn)定鈣鈦礦薄膜（CCS Chem., 2021, 3, 25; CCS Chem., 2020, 2, 488; J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 11577; J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 11577），近期利用一系列金屬卟啉（鈷、鎳、銅、鋅）修飾鈣鈦礦薄膜，發(fā)現(xiàn)金屬卟啉在鈣鈦礦晶界原位自組裝形成超分子結(jié)構(gòu)，該卟啉自組裝超分子結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)鈣鈦礦晶界間電荷的有效提取及快速傳輸，從而實現(xiàn)高效穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池器件組裝（J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 18989）。
然而卟啉自組裝超分子結(jié)構(gòu)與電荷傳輸性能間的構(gòu)效關(guān)系仍然不明確，為了解決這一難題，近日，蘭州大學曹靖教授課題組進一步通過熱誘導結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的方法成功制備了兩種單胺基銅卟啉超分子，兩種超分子結(jié)構(gòu)中卟啉分子間通過中心銅離子和氨基功能基團通過超分子作用實現(xiàn)自組裝，不同作用方式實現(xiàn)了不同的堆積結(jié)構(gòu)。通過計算和實驗發(fā)現(xiàn)兩種超分子結(jié)構(gòu)晶格中存在兩種截然不同的大極化子：均一化大極化子和不均一化大極化子，從而實現(xiàn)完全不同的電荷傳輸行為。電池性能測試發(fā)現(xiàn)：基于不均一化大極化子的超分子電池器件表現(xiàn)出降低的性能，而基于均一化大極化子的超分子電池器件表現(xiàn)出明顯提高的光電轉(zhuǎn)化效率，最高效率達到24.2%，并表現(xiàn)出優(yōu)異的水、光及熱穩(wěn)定性。該工作提出：在芳香族光電材料中構(gòu)筑均一化大極化子可以加快電荷傳輸，為具有良好電荷傳輸性能的光電材料設計提供了一種全新思路。
通過熱誘導相變的方法原味構(gòu)筑了兩種不同結(jié)構(gòu)的氨基銅卟啉自組裝超分子（CuP-S1和CuP-S2），并對兩種不同結(jié)構(gòu)進行分析后發(fā)現(xiàn)：CuP-S1結(jié)構(gòu)具有周期性的不均一化的大極化子，該結(jié)構(gòu)會造成新的電荷陷阱，不利于電荷傳輸；而CuP-S2結(jié)構(gòu)具有周期性的均一化的大極化子，該結(jié)構(gòu)可以極大地促進晶界間的電荷傳輸過程。 通過實驗驗證了氨基銅卟啉自組裝超分子修飾在鈣鈦礦薄膜中，并證明了修飾后有利于鈣鈦礦薄膜晶界間電荷的有效提取和傳輸。 一系列實驗驗證了不同聚集態(tài)的銅卟啉分子對于鈣鈦礦光伏器件的載流子壽命及傳輸過程的影響，并確定了CuP-S2結(jié)構(gòu)對于電荷傳輸過程具有明顯的增強效果。 由于氨基銅卟啉自組裝超分子對于鈣鈦礦晶界缺陷有良好的鈍化效果以及本身優(yōu)異的穩(wěn)定性，修飾后的鈣鈦礦光伏器件對于水、光及熱穩(wěn)定性的提升效果極其顯著，該工作為推動鈣鈦礦太陽能電池產(chǎn)業(yè)應用提供了研究基礎。 論文信息： Homogeneously Large Polarons in Aromatic Passivators Improves Charge Transport Between Perovskite Grains for >24% Efficiency in Photovoltaics Jia-Hui Zhao, Xijiao Mu, Luyao Wang, Zihan Fang, Xiaoxin Zou, Jing Cao* 文章的第一作者是蘭州大學趙家輝、穆希皎以及上海交通大學王露遙，通訊作者為蘭州大學曹靖教授 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202116308
