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界面特性的精准调控是实现高性能钙钛矿太阳能电池的关键，尽管自组装单分子层（SAMs）在界面工程中展现出巨大潜力，但其分子易聚集导致的界面接触不均匀及垂直堆积问题，始终限制着器件效率与稳定性的进一步突破。

针对这一挑战，南开大学电子信息与光学工程学院、有机新物质创造前沿科学中心罗景山教授与材料科学与工程学院李红时副研究员团队近日在Nature Communications上发表研究成果，创新性地提出了在氧化镍（NiO_x）基底表面构筑“分子限域”结构的策略。该团队巧妙设计并引入了全氟-2-丙氧基丙酸（PFA）分子，利用其全氟基团间的相互排斥作用，在基底上率先形成离散分布的不连续亚单层作为限域模板。随后，SAM分子被诱导均匀嵌入该模板的间隙中，通过空间限域效应有效抑制了Me-4PACz分子的自聚集与垂直堆叠，从而构建出均匀且完整的界面空穴萃取层。

得益于这种精妙的限域结构设计，器件的界面接触质量大幅改善，缺陷态密度显著降低。实验结果表明，基于该策略制备的反式钙钛矿太阳能电池实现了高达26.84%的光电转换效率（认证效率达26.79%），且填充因子（FF）突破至86.61%。此外，PFA分子与钙钛矿埋底界面间存在的氢键及偶极相互作用，显著增强了整个界面结构的化学稳定性。在严苛的ISOS-L-1协议下，该器件经1个太阳等效光照最大功率点持续追踪800小时后，仍能保持初始效率的94.6%，展现出卓越的运行可靠性。该工作不仅为解决自组装分子团聚难题提供了新方案，也为高效稳定反式钙钛矿电池的界面设计开辟了新路径。

背景介绍

自组装单分子层（SAMs）是提升反型钙钛矿太阳能电池（PSCs）界面性能的关键技术。然而，SAM分子的自聚集（Aggregation）现象常导致界面接触不均匀、垂直堆积及动态响应失效，成为制约器件效率与长期稳定性的“瓶颈”。

本文亮点

(1) 提出“分子限域”界面修饰新策略：巧妙利用PFA分子间全氟基团的相互排斥特性，在NiOx表面预先构筑不连续的亚单层“限域模板”，成功打破了传统自组装分子（Me-4PACz）的π-π堆积行为。

(2) 协同增强埋底界面耦合与稳定性：嵌入限域结构的PFA分子通过氢键及偶极相互作用，与钙钛矿埋底界面形成了强力的化学耦合。这种双组分界面层不仅大幅降低了界面缺陷密度，更为器件提供了长效的化学与热学防护。

(3) 提升反式器件性能：凭借极高的界面质量，器件实现了高达26.84%的光电转换效率，且填充因子（FF）突破86.6%。在标准ISOS-L-1协议下，器件在800小时连续追踪后性能保有率近95%。

图文解析

图1 分子限域界面的构筑。

a、PFA各原子电荷分布。b、F 1s XPS谱图。c、ITO/NiO_x基底与ITO/NiO_x/PFA基底的Ni 2p_3/2 XPS谱图。d、全氟羧酸与NiO (001)表面羟基反应、进而吸附在NiO (001)表面的吸附结构示意图。e-j、依次为ITO/NiOx薄膜、ITO/NiO_x/PFA（0.25 mg mL⁻¹）薄膜、ITO/NiO_x/PFA（1.0 mg mL⁻¹）薄膜的原子力红外光谱（AFM-IR）形貌图及其对应1770 cm⁻¹吸收信号成像图。k、不同PFA浓度修饰基底的水接触角。l、PFA分子在NiO_x表面离散分布示意图。

图2 SAM负载行为与界面特性。

a、Me-4PACz与PFA的二聚体结合能。b、NiO_x表面Me-4PACz与PFA的覆盖度。c, d、对照组薄膜的AFM-IR形貌图及其对应1403 cm⁻¹吸收信号成像图。e, f、实验组薄膜的AFM-IR形貌图及其对应1770 cm⁻¹吸收信号成像图。g, h、实验组薄膜的AFM-IR形貌图及其对应1403 cm⁻¹吸收信号成像图。i、Me-4PACz吸附于纯NiO (001)表面形成异质结界面平衡结构的俯视图与侧视图。j、Me-4PACz吸附于PFA修饰NiO (001)限域界面形成异质结界面平衡结构的俯视图与侧视图。k, l、对应的SAM分子覆盖度面分布图谱。m、NiO_x基底及PFA/NiO_x基底上Me-4PACz的XRD图谱。n、对照组与实验组基底上SAM分子负载方式示意图。

图3 对钙钛矿层的调控作用。

a, b、旋涂阶段与加热阶段（旋涂完成后立即从25 ℃升温至100 ℃），对照组与实验组钙钛矿薄膜的原位GIWAXS衍射强度演变曲线。c, d、对照组与实验组样品的原位光致发光（PL）面分布图。e、PFA修饰前后F 1s XPS谱图。f、对照组与实验组埋底界面的Pb 4f XPS谱图。g, h、PFA/钙钛矿复合体系与纯PFA的N−H键、C−F键衰减全反射红外（ATR-FTIR）图谱。i, j、对照组与实验组样品的共形PL面分布图。k、对照组与实验组样品的时间分辨光致发光（TRPL）衰减曲线。l, m、对照组与实验组埋底界面扫描电镜（SEM）图。n、对照组与实验组样品的截面SEM图。

图4 器件光电性能。

a、实验组器件结构示意图。b、对照组与实验组钙钛矿太阳能电池反向扫描电流密度-电压（J-V）曲线。c、对照组与实验组器件光电转换效率（PCE）统计分布。d、由瞬态光电流（TPC）与瞬态光电压（TPV）测试得到的载流子寿命。e, f、基于调制电学瞬态测试得到的器件电压依赖型电荷提取效率（η_ext）与电压依赖型电荷收集效率（η_c）。g、由光致发光量子产率（PLQY）测试计算得到的准费米能级分裂（QFLS）数值，以及对照组与实验组钙钛矿薄膜基于光强依赖PLQY测试得到的伪J-V曲线。h、填充因子（FF）损耗分析。i、对照组与实验组器件工作稳定性。j、Me-4PACz体系与PFA修饰钙钛矿器件的热稳定性。

总结与展望

本研究通过巧妙的“分子限域”设计，不仅攻克了自组装分子长期以来易团聚、负载不均的痛点，更利用PFA与钙钛矿间的强化学键合，为器件筑起了一道坚固的稳定性“屏障”。这一策略不仅是反式钙钛矿电池效率突破26.84%的关键，更为杂化太阳能电池的界面工程提供了一种可普适化借鉴的新范式。在追求光伏商业化的道路上，这种从分子尺度精准调控界面兼容性的思路，将为开发下一代长寿命、高效率光伏器件开辟全新路径。

该成果近期以“Molecular Confinement for Enhanced Interfacial Contact and Performance in Inverted Perovskite Solar Cells”为题发表在《Nature Communications》期刊上，南开大学有机新物质创造前沿科学中心为论文通讯单位。

文献信息

Molecular Confinement for Enhanced Interfacial Contact and Performance in Inverted Perovskite Solar Cells. Nature Communications. Guichun Yang#, Letian Chen#, Linrui Duan#, Jiazhao Fan, Xiaolong Ren, Wenjie Ji, Xiarong Liu, Yifei Wang, Zhaochen Suo, Yongsheng Liu, Yusheng Li, Yiming Li, Yang Yang, Peng Chen, Sheng Liu, Xueping Gao, Likai Zheng, Jingshan Luo* & Hongshi Li*

来源：邃瞳科学云