通过偶极矩调控自组装单分子层提升反式钙钛矿太阳能电池性能——效率达25.75%

第一作者：黄星海

通讯作者：宋奇*，冯贵涛*，梁春军*

单位：北京交通大学

近年来，钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）因其优异的光电转换效率、低成本和可溶液加工性，成为光伏领域的研究热点。其中，倒置（p-i-n）结构的钙钛矿太阳能电池因其优异的稳定性和与叠层电池的兼容性，展现出巨大的商业化潜力。然而，要实现高效稳定的倒置PSCs，界面工程至关重要，尤其是空穴传输层（HTL）与钙钛矿层之间的界面优化。

自组装单分子层（Self-Assembled Monolayers, SAMs）作为一种高效的界面修饰材料，能够调控能级排列并减少界面缺陷，从而显著提升器件性能。然而，传统的SAMs材料仍面临两大关键挑战：（1）分子偶极矩不足导致能级匹配不理想，造成较大的开路电压（VOC）损失；（2）SAMs与钙钛矿层之间的化学相互作用较弱，难以有效抑制界面缺陷和残余应力，影响器件的长期稳定性。尽管近年来通过分子工程（如功能团修饰和锚定基团优化）取得了一定进展，但这些方法通常涉及复杂的合成路线，且难以同时解决能级匹配和界面稳定性问题。

基于此，来自北京交通大学的梁春军教授团队在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Enhancing inverted perovskite solar cells via dipole-moment-tuned self-assembled monolayers with efficiency of 25.75%”的高效率钙钛矿太阳能器件能级调控文章。该观点文章提出了一种界面工程策略，通过将具有高偶极矩（9.26 D）的磷酸胆碱钙（CaPhCl）引入Me-4PACz SAMs体系，构建混合自组装单分子层。CaPhCl不仅通过其强偶极矩优化了空穴传输层与钙钛矿之间的能级排列，还通过与过量PbI₂的化学反应促进稳定α相钙钛矿的形成，从而同时提升器件效率和稳定性。实验结果表明，优化后的器件实现了25.75%的光电转换效率（PCE）和1.19 V的高开路电压，并展现出优异的长期稳定性（1000小时光照后效率保持率91%）。

图1. （a）分子结构和偶极矩以及理论计算电势图，（b）CaPhCl修饰的SAM层机理图。

图2. 底部界面的相互作用机制与结构表征。

图3. 薄膜电势表征以及分子界面能级调控图。

图4. 钙钛矿太阳能器件效率与各项性能图。

图5. 钙钛矿太阳能器件稳定性表征图。

要点一：大分子偶极矩精准调控SAM层能级排列

常用的SAM层虽然易制备成膜，拥有良好的电荷提取效率提升钙钛矿太阳能器件效率，最近研究发现常用的SAM的能级（HOMO/LUMO）需与钙钛矿层和传输层完美匹配，但现有SAM材料的选择有限以及其较小的偶极矩导致能级匹配不理想，造成较大的开路电压（VOC）损失。官能团调控偶极矩制备相应能级的SAM较为繁琐困难，同时还会存在浸润性问题。通过在SAM层中加入大偶极矩分子(CaPhCl)能够调节SAM层的能级，优化了空穴传输层与钙钛矿之间的能级排列，从而减少开压损失。同时CaPhCl分子结构大小与Me-4PACz类似能够良好的互溶在溶剂中，能够良好的成膜提升钙钛矿太阳能器件效率。

要点二：促进稳定的α相钙钛矿形成

钙钛矿形成适当的使用过量PbI₂能够有效的提升钙钛矿太阳能器件的电流，但是不利于其稳定性，在器件工作中发生相分离产生PbI₂晶相，不利于器件稳定性，研究发现CaPhCl能够与钙钛矿薄膜下底面的PbI₂发生反应形成低维相，从而促进α相钙钛矿形成。表征钙钛矿薄膜下底面发现CaPhCl的加入减少了界面缺陷和残余应力，CaPhCl的季铵基团（-N(CH₃)₃⁺）与钙钛矿中的Pb²⁺形成配位键钝化了缺陷，CaPhCl修饰的SAM层显著减少了钙钛矿薄膜的晶格应变从而减小应力，填充界面缺陷有利于形成良好钙钛矿薄膜提升器件稳定性。

要点三：抑制相分离提升热稳定性

钙钛矿薄膜在工作过程中受热会产生相分离，最终导致器件工作寿命大幅度降低，CaPhCl的引入能够使得器件高温情况下稳定性增强，这归因于CaPhCl与PbI₂形成稳定的化学键，通过表征PL mapping分析相位移动可以显著的分析钙钛矿相位位移情况，修饰后的器件相分离显著抑制，表明器件耐热性提升。

要点四：前瞻

尽管本文通过引入CaPhCl修饰的SAM层显著提升了钙钛矿太阳能电池（PSCs）的效率和稳定性，未来研究仍需从多个维度深入探索以推动其商业化进程。首先，在分子设计层面，当前研究主要聚焦于CaPhCl与Me-4PACz的组合，未来可探索更多高偶极矩分子或兼具钝化与能级调控功能的多功能分子，并结合计算模拟（如DFT和分子动力学）预测分子偶极矩与界面能级对齐的关系，为实验设计提供理论指导。其次，在表征技术方面，钙钛矿/SAM界面在光照、电场或湿度下的动态变化机制尚不明确，需要开发原位XRD、原位KPFM和原位PL等先进表征手段以实时监测界面反应和相演变过程。此外，现有研究多在单一环境（如氮气氛围）下进行，未来需系统考察温度、湿度和光照等多因素协同作用对界面稳定性的影响，并建立加速老化测试标准以评估实际应用场景下的长期稳定性。最后，在工艺优化方面，需要开发可规模化制备的SAM沉积技术（如气相沉积或卷对卷涂布），并研究其与柔性衬底的兼容性，以推动柔性钙钛矿器件的商业化应用。这些研究将深化对SAM/钙钛矿界面的理解，为开发高效稳定的钙钛矿太阳能电池提供新思路，最终加速其产业化进程。

Enhancing inverted perovskite solar cells via dipole-moment-tuned self-assembled monolayers with efficiency of 25.75%

本文第一作者为北京交通大学在读博士研究生黄星海同学，通讯作者为宋奇博士、冯贵涛博士与梁春军教授。