許宗祥&任廣禹Nat. Commun.：柔性兼顧剛性,自組裝單層策略提升鈣鈦礦電池性能, PCE達 26.21%

發(fā)表時間：2025-08-01 10:05

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主要內(nèi)容

自組裝單層（Self - assembled monolayer，SAM）材料在鈣鈦礦太陽能電池界面工程領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，已然成為推動該領(lǐng)域技術(shù)革新的關(guān)鍵要素。然而，實現(xiàn)分子堆積密度、電荷傳輸效率以及缺陷鈍化之間的**平衡，始終是該領(lǐng)域亟待攻克的關(guān)鍵難題。

01

創(chuàng)新設(shè)計策略與初步成果

在此關(guān)鍵研究背景下，南方科技大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系許宗祥教授、香港城市大學(xué)任廣禹教授（Prof. JEN Kwan Yue Alex）以及河南大學(xué)陳石教授等人三校聯(lián)合、強強攜手，共同開展了一項深入且**創(chuàng)新性的研究。研究團隊提出了一種新穎的 SAM 材料設(shè)計策略，該策略巧妙地將柔性頭部基團與剛性連接基團進行協(xié)同結(jié)合。

以（4 -（二苯氨基）苯基）膦酸作為模型分子展開研究，相較于傳統(tǒng)材料（如（4 -（9H - 咔唑 - 9 - 基）苯基）膦酸和（4 -（二苯氨基）苯乙基）膦酸），此設(shè)計所制備出的鈣鈦礦層質(zhì)量顯著提升。該創(chuàng)新設(shè)計不僅達成了更優(yōu)的能級匹配，還有效改善了空穴提取能力，大幅提高了電荷傳輸效率，進而有力地降低了非輻射復(fù)合?；诖四Ｐ头肿拥钠骷谛∶娣e（0.0715 cm2）和大面積（1 cm2）下分別取得了高達 26.21%和 24.49%的光電轉(zhuǎn)換效率，充分彰顯了該設(shè)計策略的**性能。

02

PATPA 分子結(jié)構(gòu)探索與性能優(yōu)勢

基于上述對（4 -（二苯氨基）苯基）膦酸的研究，研究團隊進一步深入探索，揭示了精心設(shè)計的 PATPA 分子的獨特結(jié)構(gòu)。該分子**匠心地將柔性三苯胺頭部基團與剛性苯基橋聯(lián)基團相結(jié)合。

通過與 PhpPACz 和 2PATPA 的性能進行全面對比，結(jié)果顯示 PATPA 的表現(xiàn)更為優(yōu)異。研究結(jié)果有力證實，PATPA 的集成設(shè)計顯著改善了界面特性，形成了與鈣鈦礦層緊密結(jié)合且缺陷較少的優(yōu)質(zhì)界面。這一優(yōu)質(zhì)界面不僅優(yōu)化了能級匹配，還大幅提高了空穴提取效率和載流子傳輸能力。

具體而言，在與 PhpPACz 的直接對比中，PATPA 被證實能夠有效緩解晶格應(yīng)力，抑制碘化鉛（PbI?）缺陷的形成，從而促進晶粒尺寸增大，使薄膜更加致密。與 2PATPA 相比，PATPA 的剛性連接基團確保了更高的分子堆積密度、更少的深能級陷阱態(tài)，進而減少了非輻射復(fù)合損失。

03

PATPA 器件性能表現(xiàn)與成果意義

在器件性能方面，采用 PATPA 的光伏器件同樣表現(xiàn)出色，其**光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）達 26.21%，大面積器件（1 cm2）的光電轉(zhuǎn)換效率也達到 24.49%。穩(wěn)定性測試進一步表明，經(jīng) PATPA 修飾的器件在光照 1000 小時后仍能保持初始效率的 91%，在 85℃熱老化 500 小時后仍能保持 88%的初始效率，展現(xiàn)出**的長期穩(wěn)定性。

本研究開創(chuàng)了一種非取代頭部基團系統(tǒng)的設(shè)計范式，巧妙融合了柔性與剛性原理，為創(chuàng)建高效且穩(wěn)定的自組裝單層（SAM）提供了寶貴見解。這一成果對于推動光伏技術(shù)的發(fā)展具有至關(guān)重要的意義，有望為鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用開辟新的路徑。