尹新星博士、李在房教授、侯毅教授， CEJ观点：高效SAM的末端工程

第一作者：章珈恺，王熹

通讯作者：李在房*，侯毅*，尹新星*

单位：嘉兴大学，新加坡国立大学

在倒置（p-i-n）钙钛矿太阳能电池中，空穴传输层的性能对器件效率与稳定性具有决定性影响。自组装单分子层作为一类新兴的空穴传输材料，凭借其分子结构可调、厚度极薄、溶液加工友好等优势，已成为实现高效稳定倒置器件的重要策略。其中，基于3,6-二苯基-9H-咔唑的Ph-4PACz通过引入旋转苯基，有效抑制了分子聚集，显著提升了薄膜均匀性，已成为高性能器件的常用选择。然而，该分子与钙钛矿活性层之间的界面相互作用相对较弱，限制了其缺陷钝化与界面调控能力的进一步提升。因此，在Ph-4PACz骨架基础上，对其末端进行分子工程，以强化界面结合、优化能级排列并提升器件综合性能，是当前该领域一个重要的研究方向。

近日，来自嘉兴大学的尹新星博士和李在房教授与新加坡国立大学的侯毅教授合作，在知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为《Terminal group optimization of 3,6-diphenyl-9H-carbazol-based self-assembled monolayer for efficient perovskite solar cells》的文章。研究团队设计合成了两种新型分子：PhO-4PACz与PhS-4PACz，即在原末端苯基上，分别引入甲氧基和甲硫基。研究结果显示，硫原子的引入带来了性能的跨越式提升。甲硫基凭借其独特的软路易斯碱性质，与钙钛矿中的铅离子形成了较强的Pb-S键，实现了深度的界面缺陷钝化。同时，其弱给电子特性及较大的固有偶极矩，优化了能级匹配，显著降低了空穴提取势垒。最终，以PhS-4PACz为空穴传输层的器件，实现了25.77%的光电转化效率与1.178 V的高开路电压，其效率与稳定性均显著优于甲氧基修饰及未修饰的对照组。这项工作不仅提供了一个高性能分子范本，更从原理上印证了硫基末端在钙钛矿界面工程中的巨大潜力。

XPS图谱中，PhS-4PACz基钙钛矿膜的Pb 4f峰发生了最显著的结合能负移（-0.20 eV），这直接归因于硫原子孤对电子向铅空轨道的注入。DFT计算模型与结合能数据（-0.81 eV）进一步证实，甲硫基与未配位Pb²⁺形成了强度远超甲氧基（-0.30 eV）的稳定配位键。这一强化学作用，牢牢锁住界面，有效抑制了缺陷态的产生，为器件性能奠定了稳定根基。

UPS光谱与能级图清晰显示，强给电子的甲氧基过度抬升了HOMO能级（-5.31 eV），导致与钙钛矿价带顶形成不利偏移。而甲硫基的弱给电子效应，使PhS-4PACz的HOMO能级（-5.54 eV）与之近乎完美对齐。与此同时，理论计算表明甲硫基诱导了更大的分子偶极矩（4.312 D）。这显著的界面偶极，为空穴提取降低了势垒，有利于空穴传输。

KPFM表明，PhS-4PACz在ITO上形成了最均匀的表面电势分布（Rq=29.0 mV），其适中的水接触角（68°）为钙钛矿前驱体液膜均匀铺展创造了条件。这一优越的基底诱导生长出晶粒更大、表面更光滑（AFM Rq=18.6 nm）的钙钛矿薄膜。PL mapping显示该薄膜发光更强且均匀。稳态PL光谱强度显著提升，TRPL测试表明其载流子寿命延长至1.85 μs（Ph-4PACz为1.13 μs），最高的PLQY（1.68%）与对应的QFLS（1.18 eV）数值，定量证实了PhS-4PACz在最小化非辐射电压损失方面的卓越能力。

尹新星博士简介：尹新星，博士，嘉兴大学硕士生导师，嘉兴市“创新嘉兴·精英引领计划”领军人才。主要从事钙钛矿太阳能电池界面材料基础研究，通过材料创新推动钙钛矿太阳能电池的产业化进程。近年来，以第一/通讯作者身份（含共同）在国际顶级期刊如Nature、Nat. Photon.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.等发表高水平SCI论文14篇 (其中10篇IF > 15，ESI高被引论文3篇，热点论文1篇)，授权中国发明专利5项。主持国家自然科学基金青年项目1项，省部级项目2项，市厅级项目2项。