周忠敏教授、逄淑平研究员，JACS：多硫醇交联剂策略稳定钙钛矿/SAM界面

第一作者：彭程

通讯作者：周忠敏，逄淑平

单位：青岛科技大学，中国科学院青岛生物能源与过程研究所

p-i-n结构钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其优异的长期稳定性以及与叠层器件制备的良好兼容性，近年来受到了广泛关注。值得注意的是，自组装单分子层（SAMs）的引入显著提升了p-i-n型PSCs的器件性能，凸显了其在商业化应用中的巨大潜力。在p-i-n型PSCs中，空穴传输层（HTL）位于受光一侧，由于其直接与光相互作用，并从载流子浓度较高的区域提取空穴，在优化器件性能方面发挥着至关重要的作用。尽管采用NiOx等传统p型无机HTL材料在器件稳定性方面已取得进展，但其功率转换效率（PCE）仍低于采用有机空穴传输材料的器件。

近年来，含有膦酸基和咔唑基团的（SAM）作为高性能p-i-n型PSCs的空穴选择层展现出良好前景，这主要得益于其高效的空穴提取能力以及有利的能级匹配。然而，SAM在实际器件制备中的应用仍面临若干挑战。其中一个重要问题是SAM在基底上的覆盖不完全，以及咔唑基团本身的疏水性，这些因素都会对钙钛矿薄膜的质量产生不利影响。此外，钙钛矿/SAM界面处较弱的结合力也对器件的机械稳定性构成潜在风险。

近日，来自青岛科技大学的周忠敏教授与中国科学院青岛生物能源与过程研究所的逄淑平教授合作，在国际知名期刊Journal of the American Chemical Society上发表题为“Strengthened Perovskite/SAM Heterointerface for Stable Perovskite Solar Cells”的文章。该文章提出了多硫醇交联剂策略构建稳定可靠的钙钛矿/SAM异质界面。多硫醇交联剂不仅与基底金属氧化物形成化学键，还在界面保留部分未结合的free -SH，为钙钛矿的生长和键合创造了有利环境。

在钙钛矿太阳能电池中，界面结合强度直接影响器件稳定性与性能。基于软硬酸碱（HSAB）理论，软酸与软碱之间更容易通过电子云共享形成稳定的共价作用。其中，I⁻具有极低的化学硬度，为Pb–I八面体结构的形成提供了理想环境，而-SH基团的化学硬度与I⁻接近，同样能够与Pb²⁺、Ni²⁺等软酸离子形成强相互作用。此外，硫化物具有极高的pKsp，说明硫-金属之间的成键十分稳定。实验表明，当含硫分子MP与含Pb²⁺、Ni²⁺溶液反应时，溶液迅速生成沉淀，进一步验证了其强配位能力。通过引入不同硫醇交联分子（MP、TMP、HMP）对NiOx/Me-4PACz界面进行修饰，界面键合强度显著提升。表征结果揭示了硫醇交联分子的作用机制：硫醇交联分子能够有效填充SAM未覆盖的区域；多硫醇分子不仅能与NiOx成键，还能在界面保留部分游离-SH，为钙钛矿层沉积提供结合位点；同时改善界面润湿性，促进高质量钙钛矿薄膜生长。

异质界面稳定性是限制钙钛矿太阳能电池长期运行的关键因素。为评估增强钙钛矿/HTL界面对薄膜稳定性的影响，在30-40%湿度空气环境中，对样品进行持续1 sun光照老化测试。老化50小时后，对照样品在玻璃侧出现明显变色，而经TMP修饰的样品几乎无可见变化，表明其具备更优异的抗光老化能力。吸收光谱测试进一步证实，随着老化时间延长，TMP处理薄膜的吸收衰减明显减缓，说明界面修饰有效抑制了钙钛矿的光诱导分解。形貌表征结果表明，对照样品在埋藏界面处出现大量孔洞并伴随严重结构破坏，而TMP处理后孔洞的形成与扩展被显著抑制。此外，界面力学测试表明，在光照老化和热循环条件下，TMP处理均能有效减缓界面结合强度的衰减。机理分析发现，TMP填补了SAM层中的空隙，减少钙钛矿与NiOx的直接接触，还通过强配位作用稳定了埋藏界面的铅卤化物结构，显著抑制了碘离子氧化和金属铅的生成。

PL成像结果表明，TMP处理后，钙钛矿薄膜在顶部激发时发光减弱、底部激发时发光增强，说明空穴提取效率提高、埋藏界面非辐射复合受到有效抑制。UPS与PLQY分析进一步证实，TMP降低了能级失配，提高了准费米能级分裂，并显著减少开路电压损失。与此同时，TMP处理促进晶粒生长、降低表面粗糙度并缓解界面残余应力，使钙钛矿/传输层界面更加致密稳定，为实现高性能器件提供了有力支撑。

通过在NiOx/Me-4PACz/钙钛矿埋藏界面引入TMP，钙钛矿太阳能电池性能显著提升，优化器件的光电转换效率最高达26.16%。同时，TMP显著降低非辐射复合并增强异质界面稳定性，使器件在持续光照和高温条件下表现出优异的长期运行稳定性，展现出极具竞争力的界面工程策略。

Strengthened Perovskite/SAM Heterointerface for Stable Perovskite Solar Cells

周忠敏，青岛科技大学化学院教授，博士生导师，山东省泰山学者青年专家。研究方向为高效稳定钙钛矿太阳能电池的开发，目前以通讯作者在Nat. Photon., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc.、Matter, Angew. Chem. Ed. Int. (10篇), Adv. Mater. (2篇), Adv. Energy Mater. (2篇), Adv. Funct. Mater. (2篇), ACS Energy Lett.(2篇), CCSChem. 等期刊上发表SCI论文60余篇，引用大于5000次；主持（包括结题）中国博士后基金、国家自然科学青年基金和面上基金、山东省泰山学者工程项目、山东省重点研发计划子课题和青岛市自然科学基金等。

逄淑平，研究员，博士生导师。2007-2011年博士就读于德国马普高分子研究所。主要研究领域为半导体材料和相关的光电器件。近年来在J. Am. Chem. Soc.、Adv.Mater.、Angew.Chem. Int. Ed.、Chem等期刊共发表SCI论文80余篇，申请发明专利8项。获得山东省自然科学一等奖（第二位），主持项目有基金委优秀青年基金、中国-以色列国际合作项目、山等省杰出青年基金、中国科学院优秀会员等项目。

彭程，青岛科技大学化学院博士研究生。主要研究方向为钙钛矿太阳能电池。目前以第一作者在J. Am. Chem. Soc.、Angew.Chem. Int. Ed.等高水平期刊发表SCI论文2篇。