吉林大学王晓峰教授Small：基于电聚合叶绿素空穴传输层的钙钛矿太阳能电池

第一作者：刘子嫣

通讯作者：王晓峰*

单位：吉林大学

空穴传输层在反式钙钛矿电池的性能中扮演着至关重要的角色。叶绿素（Chls）是一种地球上广泛存在的有机半导体，自然界中储量丰富，价格低廉，环保无污染，并且具有良好的载流子迁移率和合适的费米能级，因此很有希望用于光伏设备。然而，与使用其他常见的有机聚合物薄膜制备的薄膜相比，采用溶液法制备的叶绿素薄膜却存在着较低的载流子迁移率的问题，这一限制影响了它们在光伏设备中的应用。

基于此， 吉林大学物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室王晓峰教授团队 ，在国际权威期刊 Small 上发表题为 “Perovskite Solar Cells Based on Polymerized Chlorophyll Films as Environmentally Friendly Hole-Transporting Layers” 的研究论文。吉林大学物理学院博士研究生刘子嫣为本文第一作者。这项研究采用电化学聚合的方法，将两种叶绿素分子（CuChl和NiChl）以化学键的方式连接起来，从而实现了分子间电荷传递向分子内电荷传递的转变，降低了电荷迁移势垒。随后，将这两种聚合叶绿素薄膜应用为基于CH ₃ NH ₃ PbI ₃ 钙钛矿电池的空穴传输层。与采用传统溶液法制备的叶绿素薄膜相比，基于聚合叶绿素薄膜的器件展现出了最高19.0%的能量转换效率，这也是叶绿素材料应用于光伏器件中最高的能量转换效率之一。此外，基于聚合叶绿素薄膜的器件还展现出了出色的长期稳定性，这也为其在实际应用中的可行性提供了坚实的基础。这些研究结果突显了聚合叶绿素薄膜替代反式钙钛矿电池中传统空穴传输材料的潜力，这一方法充分利用了丰富、环保且多用途的叶绿素衍生物，为进一步开发下一代空穴传输材料以提升钙钛矿电池性能提供了广阔前景。

设计并合成了在四吡咯环C3代位具有乙烯基不饱和双键的金属叶绿素分子。随后，采用电化学聚合方法制备了聚合叶绿素薄膜。这些薄膜表现出了优异的性能，包括高光透过率，出色的衬底表面覆盖率、平滑而平整的表面形貌，以及与钙钛矿电池相匹配的能级等，基于此制备的器件，获得了最高19.0%的能量转化效率。

稳态和瞬态荧光光谱测试结果表明，由于聚合叶绿素薄膜具备更出色的导电性，从钙钛矿层到空穴传输层的空穴提取效果得到显著改善，有效地提升了载流子输运速率，抑制了电荷复合，极大地减少了电荷传输损失，从而有助于提高开路电压（VOC）和填充因子（FF）。此外，通过空间电荷限制电流（SCLC）测试，我们得知器件中非辐射复合速率明显下降，这意味着光生载流子更能有效地从钙钛矿膜分离并传输至传输层。这些结果突显了聚合叶绿素薄膜在改善光伏器件性能方面的卓越潜力。

基于聚合叶绿素空穴传输层的器件的稳定性明显提高，未封装的器件在进行了3小时的最大功率点跟踪测试后，分别保持了初始效率的95.6%和90.2%。此外，这些未封装器件在环境条件下（25℃和20%相对湿度）也保持出优异的长期稳定性。

Perovskite Solar Cells Based on Polymerized Chlorophyll Films as Environmentally Friendly Hole-Transporting Layers

王晓峰 教授 简介：吉林大学物理学院教授，博士生导师。主要从事新型能源转换及储存相关的研究。王晓峰教授多次作为项目负责人主持了中国及日本国家自然科学基金层次的科研项目，其中包括2011-2014年度日本学术振兴会JSPS科研费若手A类；2008-2010年度日本文部科学省MEXT科研费若手B类；以及2007年度日本学术振兴机构JST先进技术萌芽研究助成金等。现主持在研2016-2019及2020-2023年度国家自然科学基金面上项目2项，吉林省自然科学基金项目1项，企业横向课题1项。至今共发表了包括Energy & Environ. Sci., J. Am. Chem. Soc., ACS Energy Lett., Adv. Func. Mater., Chem. Comm., Nano-Micro Lett., Adv. Mater., J. Phys. Chem. C., Langmuir, J. Mater. Chem. A，ACS App. Mater. & Interfaces, J. Power Sources, ChemSusChem, Biosens. Bioelectron., Appl. Phys. Lett.等知名杂志在内的SCI论文100余篇。另外著有斯普林格，CRC Press, Elsevier等国外出版社专著各一章，获得已授权日本专利2项及中国发明专利多项。

刘子嫣 ，吉林大学物理学院博士研究生。主要研究方向：钙钛矿太阳能电池

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