研究聚焦于如何通过分子设计策略来优化大π共轭有机分子，特别是酞菁和卟啉化合物，以提高钙钛矿太阳能电池的性能。这些分子因其在光电子领域的显著优势，如分子轨道的离域化和分子间的强相互作用，而成为研究的热点。钙钛矿太阳能电池面临的稳定性挑战和对高性能空穴传输材料的需求，推动了对分子内电场（IEF）调控技术的研究。特别是，开发无需掺杂即可实现高性能的空穴传输材料，是解决传统材料湿度敏感性和提升器件稳定性的关键。论文提出了通过化学调控酞菁分子结构来优化分子内电场（IEF）的方向和强度，增强空穴传输性能，提升器件的效率和稳定性。

研究强调了将侧链的IEF方向与酞菁的π电子环的空间方向更紧密地对齐，对于增强电荷传输能力的重要性，并为设计基于共轭分子的空穴传输材料提供了新策略，以制造高效稳定的光伏器件。

（1）开发了一种调控分子内电场（IEF）方向的策略，用于制备具有改善空穴迁移率和导电性的酞菁基空穴传输材料（HTM）。

（2）通过优化酞菁分子的侧链，可以调整IEF向量（强度和方向），从而有效提高分子产生空穴的能力和传输效率。

（3）开发数学物理模型，用于评估侧链空间摆动对分子属性的影响，并优化空穴传输性能。

（4）无掺杂钙钛矿太阳能电池（PSCs）的效率达到23.41%，且器件的稳定性得到了显著提升。

文中采用了多种测试表征分析技术，用于分析酞菁分子的结构、电场分布、分子间相互作用、表面形貌、能级排列、电荷传输特性、光电性能以及热稳定性等：

• 粉末X射线衍射（PXRD）
  
• 静电表面电势（ESP）
  
• 原子力显微镜（AFM）
  
• 表面光电压和表面电荷密度测量
  
• 飞行时间（TOF）载流子迁移率测量
  
• 电化学阻抗谱（EIS）
  
• 表面电位分析（KPFM）
  
• 导电原子力显微镜（c-AFM）
  
• 稳态光致发光（PL）测试
  
• Mott-Schottky测试
  
• 空间电荷限制电流（SCLC）测试
  
• 热重分析（TGA）
  

其中，利用时间飞行(TOF)法测试载流子迁移率，用于评估Pcs薄膜的电荷传输行为。测试数据Pc3结构材料有更高的空穴迁移率，约为1.51×10^-4 cm²·V^-1·s^-1（Pc1（约8.45×10^-5 cm²·V^-1·s^-1）和Pc2（约6.90×10^-5 cm²·V^-1·s^-1））。结果显示Pc3样品的空穴迁移率显著高于Pc1和Pc2，这与通过HDI（Hole Delocalization Index，空穴离域指数）预测的趋势相一致。这表明Pc3样品由于有效的IEF（Intramolecular Electric Field，分子内电场）优化，具有更好的电荷传输性能。

飞行时间法迁移率测量仪FlyTOF是东谱科技HiTran瞬态综合光电特性测量平台中的重要成员，是东谱科技源头研发产品，是业内首款自动化、集成化的飞行时间法迁移率测试商业化设备。该系统利用飞行时间法（Time-of-Flight，TOF）测量半导体材料的迁移率以及相关的光电特性，广泛适用于各类半导体材料，如硅基半导体第二代半导体、第三代宽带隙半导体、有机半导体、钙钛矿半导体、量子点半导体、二维材料半导体、金属-有机框架(MOF)、共价有机框架(COF)等。FlyTOF基于东谱科技的 MagicBox主机研制而成，配备便捷的上位机控制和数据测量软件，具有高度集成、自动化的特点，可助力客户进行快速、准确的测量。

□ 电子/空穴迁移率；

□ TOF瞬态光电流TPC；

□ 收集电荷量、电荷收集效率、载流子迁移率寿命积；

□ 支持变温测量、表面载流子迁移率测量、载流子二维扫描成像等测试参数。

□ 有机半导体（NPB、MEH-PPV、PCBM）

□ 金属-有机框架（MOF）

□ 共价有机框（COF）

□ 钙钛矿材料（钙钛矿薄膜、钙钛矿粉末、钙钛矿单晶）

□ 闪烁体（碲锌镉、碲化镉）

□ 二维材料（石墨烯、二维钙钛矿薄膜）

□ 元素半导体（Si、Ge等）

□ 化合物半导体（InGaAs等）

□ 宽带隙第三代半导体（SiC、GaN）

□ 量子点半导体（硫化镉、碲化镉、钙钛矿）

□ 其它半导体材料

▍引用文章

Anti-perovskites with long carrier lifetime for ultralow dose and stable X-ray detection

https://www.nature.com/articles/s41566-024-01482-3