论文信息

研究背景

近年来，反式（p-i-n）钙钛矿太阳能电池凭借低温溶液加工、较低能量损失以及与叠层和柔性器件良好的兼容性，成为高效率钙钛矿光伏的重要技术路线。自组装单分子层（self-assembled monolayers，SAMs）因材料用量少、界面接触薄、寄生吸收低且能够直接调控透明导电电极功函数，已逐渐成为高性能反式器件中极具竞争力的空穴传输材料。

然而，以Me-4PACz为代表的常规SAM仍面临若干相互关联的问题：分子间π–π相互作用较弱、分子偶极矩有限、能级匹配不够理想，同时对钙钛矿埋底界面的化学调控能力不足。上述问题会造成SAM覆盖与堆积形貌差、空穴提取受限，同时影响钙钛矿的薄膜质量并导致非辐射复合。更重要的是，现有SAM研究往往分别优化能级、分子堆积或界面钝化中的某一个环节，缺乏从“分子电子结构—堆积形貌—钙钛矿结晶—埋底界面—器件性能”这一完整链条出发的协同设计。

文章概述

近日，江西师范大学梁爱辉团队通过简洁的Fischer吲哚合成构筑非对称BTI核心，并进一步引入给电子到吸电子取代基构建了MeO-4PABTI、4PABTI和F-4PABTI三种新型SAM。研究发现，随着取代基由给电子向吸电子方向变化，SAM的电子结构以及与堆积形貌逐渐优化；同时，SAM优化的薄膜质量与增强的与钙钛矿前驱体相互作用，使其能够作为高质量结晶模板调节钙钛矿生长，改善埋底界面接触并抑制非辐射复合。最终，基于F-4PABTI的器件获得26.76%的最高效率和1.203 V的突出的开路电压，并在大面积器件和宽带隙器件中表现出良好的适用性。

图文导读

图1（a）4PABTI、MeO-4PABTI和F-4PABTI的合成路线；（b）基于DFT计算获得的不同SAM分子的静电势分布和偶极矩；（c）不同SAM分子的电子局域函数图，其中数值范围为0～1，接近0的蓝色区域表示较强的电子离域特征，接近1的红色区域表示较强的电子局域特征；（d）不同SAM薄膜的KPFM图像。

图2.（a）不同SAM分子二聚体构型的优化几何结构及其π–π堆积距离；（b）不同SAM薄膜沿面外方向的一维GIWAXS积分曲线；（c）不同SAM薄膜的XRD图谱；（d）不同SAM薄膜的XPS C 1s能谱；（e）SAM薄膜形貌优化示意图。

图3.（a）FAI以及FAI分别与MeO-4PABTI、4PABTI和F-4PABTI混合后的¹H NMR谱图；（b）不同SAM分子在FAPbI₃（100）晶面上的吸附能；（c）基于不同SAM的钙钛矿薄膜在退火过程中的原位UV–Vis吸收光谱；（d）基于不同SAM的钙钛矿薄膜二维GIWAXS图；（e）基于不同SAM的钙钛矿薄膜埋底界面SEM图像。

图4.（a）不同SAM吸附于钙钛矿表面时的差分电荷密度分布及相应的面外积分曲线；未修饰钙钛矿薄膜以及经MeO-4PABTI、4PABTI和F-4PABTI修饰的钙钛矿薄膜的XPS（b）Pb 4f和（c）I 3d能谱；基于不同SAM的钙钛矿薄膜的（d）稳态PL光谱、（e）时间分辨PL光谱、（f）PL mapping图以及（g）PLQY和QFLS。

图5.（a）器件结构示意图；（b）基于不同SAM的最佳器件在模拟AM 1.5G光照下的J–V曲线；（c）近年来基于单一SAM的高性能钙钛矿太阳能电池开路电压和光电转换效率统计；（d）基于不同SAM器件的外量子效率曲线；（e）不同器件在最大功率点下的稳态功率输出；（f）基于不同SAM的20个独立器件的光电转换效率统计；（g）未封装器件在氮气气氛和85 ℃条件下的热稳定性；（h）未封装器件在氮气气氛、25 ± 5 ℃及连续1 sun光照条件下进行最大功率点跟踪的长期运行稳定性；（i）基于F-4PABTI、有效面积为1 cm²器件的J–V曲线；（j）基于F-4PABTI、有效面积为655.2 cm²组件的I–V曲线；（k）基于F-4PABTI的1.84 eV宽带隙器件J–V曲线。

总结与展望

该研究以“非对称共轭骨架 + 可调电子取代基”为核心设计原则，将SAM的电子结构、堆积形貌以及与钙钛矿的界面接触纳入同一分子工程框架。其中吸电子取代的F-4PABTI实现了更优的电子结构和堆积形貌，并通过与前驱体的增强的相互作用调节钙钛矿结晶，最终实现高质量钙钛矿薄膜质量和降低的非辐射复合。从小面积器件，到1 cm²、655.2 cm²组件及宽带隙器件的进一步验证，说明该分子设计策略具有较好的普适性，为高效、稳定反式钙钛矿太阳能电池及组件的SAM材料设计提供了有益的分子工程思路。

期刊介绍

Angewandte Chemie是全球化学领域最具影响力的顶级期刊之一，由Wiley出版，创刊于1887年，最新影响因子为16.9。