南昌大学陈义旺等AFM!!动态锚定分子桥实现稳定钙钛矿光伏的稳健埋入式异质结

钙钛矿太阳能电池因其高光吸收系数、可调带隙、优异载流子迁移率和溶液可加工性而备受关注。近年来，采用自组装单层作为空穴传输层的反式钙钛矿太阳能电池实现了超过26%的纪录效率。与传统聚合物基空穴传输层相比，自组装单层通过分子自组装形成超薄纳米结构，亚纳米级厚度显著降低了器件串联电阻，同时有利于界面能级对齐并显著提高载流子提取效率。然而，自组装单层与钙钛矿界面处的本征结构缺陷仍是根本性挑战。自组装单层分子的非均匀分布可导致针孔缺陷和分子聚集，严重损害基底覆盖率。这些结构缺陷在钙钛矿层埋入界面处引入高密度缺陷态，如未配位Pb2+离子和卤素空位，成为非辐射复合中心并降低载流子寿命。更关键的是，此类缺陷为环境水和氧的渗透以及卤素离子的纵向迁移提供通道，引发不可逆的降解过程，包括钙钛矿晶格解离和电极界面处的电化学腐蚀，最终导致器件效率和运行稳定性下降。低维结构在钙钛矿界面工程中的应用近年来日益突出，在抑制离子迁移和缓解晶格应力方面展现出卓越能力。然而，自组装单层界面修饰与低维/三维异质结构建这两种策略此前多被独立研究，其协同潜力在钙钛矿太阳能电池界面工程中尚未得到充分探索。

在这项研究中，研究人员提出了一种以合理设计的双锚定分子桥为核心的协同界面工程策略，同时优化自组装单层并构建稳健的埋入式异质结。研究团队采用6-氨基己基膦酸盐酸盐作为动态锚定分子桥，其含有互补的氨基和膦酸基团以实现协同双位点锚定，有效抑制了传统自组装单层中常见的平面分子聚集。低空间位阻的AHPH进一步促进了在自组装单层薄膜孔隙级别的渗透，增强了分子堆积密度并消除了针孔缺陷。在钙钛矿结晶过程中，非化学吸附的AHPH通过动态配体交换迁移至埋入界面，引导低维钙钛矿异质结的原位形成。该分子桥一端锚定于自组装单层，另一端与钙钛矿异质结构相互作用，显著增强了自组装单层与钙钛矿层之间的界面粘附。这种双功能设计实现了三重并发效应：促进高覆盖率自组装单层的形成、增强界面接触完整性、建立高效电荷传输通道，同时有效抑制非辐射复合。改性后的器件实现了25.7%的纪录效率，并在85°C、85%湿度条件下运行1000小时后保持约90%的初始效率，显著优于对照组的75%。

该研究证明了动态双锚定分子AHPH作为变革性界面"分子桥"的作用。其设计的功能基团首先抑制自组装单层聚集以形成均匀的接触层；在结晶过程中，未结合的AHPH迁移至界面，引导稳健的低维钙钛矿异质结原位生长。该分子桥同时实现了三项关键功能：通过建立良好连接的桥接层增强机械粘附、通过创建动力学势垒抑制离子迁移、以及作为模板引导高质量上层钙钛矿薄膜的结晶。具体机制包括：氨基与膦酸基团形成的分子间氢键网络抑制MeO-2PACz的二维平面聚集趋势；动态配体交换引导的2D/3D异质结形成；近Dion-Jacobson相结构强化界面稳定性；以及延迟成核和奥斯瓦尔德熟化过程改善薄膜质量。该协同界面工程策略将自组装单层优化与稳定化埋入式异质结构建无缝整合，通过单一动态调控剂实现了界面稳定化、离子阻挡和结晶控制的统一，为耐用钙钛矿光伏器件提供了清晰的途径。这项工作建立了一种通用的分子级策略，对推动钙钛矿太阳能电池的商业化应用具有重要意义。