南昌大学陈义旺团队AM:通过咪唑鎓衍生物与SAM分子协同配位,调控埋底界面化学环境与结晶路径,实现26.83%效率及优异稳定性
- 2026-06-29 01:41:38
研究内容
自组装单分子层作为空穴选择性接触已推动反式钙钛矿太阳能电池效率突破27%。然而，SAM/钙钛矿埋底界面处的前驱体化学和结晶行为仍缺乏有效控制——溶剂配位中间相残留不仅会破坏SAM层的结构完整性，还会诱导低配位中间相（如PbI₂·DMSO）的生成，严重阻碍α相钙钛矿的直接形成。如何在分子层面耦合SAM的有序性与结晶路径的调控，是该领域长期未解的关键难题。
南昌大学陈义旺团队在Advanced Materials发表研究，报道了一种N-杂环激活的π协同配位策略。他们设计了咪唑鎓衍生物2DH，将其整合入SAM层中，与邻近的多卤化铅物种建立协同配位相互作用，重塑局部前驱体环境并引导成核与晶体生长。这一过程在埋底界面处形成了π协同配位，有效抑制了界面沟槽和空洞，减少了残留溶剂配合物中间相，并促进相纯α-钙钛矿薄膜的直接形成。最终，基于该分子调控界面的器件实现了26.83%的冠军效率，并在936小时连续最大功率点跟踪后保持93.8%的初始效率。
论文信息：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73828
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文章图文
图1：分子设计与界面调控机制
a：IH、2DH 分子合成路线图，展示两类氮杂环分子结构差异（无甲基咪唑 / 二甲基咪唑鎓）。
b：FAI 前驱体核磁氢谱，加入 IH、2DH 后 N-H 质子化学位移明显下移，证明分子与甲脒阳离子存在电子相互作用。
c：IH 与 PbI₂混合核磁，仅轻微峰移，说明 IH 与铅卤相互作用较弱。
d：2DH 与 PbI₂核磁信号显著偏移，证实咪唑鎓、苯环双位点协同配位，激活界面 π 协同作用。
e：钙钛矿结晶路径示意图。纯 SAM 体系生成大量低配位溶剂中间相；2DH 修饰依靠多重配位稳定八面体结构，跳过有害中间相，直接生成纯 α 钙钛矿薄膜。
图2：埋底界面形貌与结晶质量
a：原子力显微镜 AFM 高度图。对照组界面起伏巨大；IH 修饰粗糙度下降；2DH 改性薄膜界面最平整，晶粒分布均匀无明显孔洞。
b：导电原子力 C-AFM。对照组导电信号微弱、缺陷密集；2DH 薄膜导电通路连续均匀，界面非辐射复合大幅减少。
c：晶界沟槽角度统计，2DH 样品沟槽仅 20°，远低于对照组 43°，界面应力显著释放。
d：晶界 / 表面能比值计算，2DH 体系比值低至 0.68，更利于均匀晶粒生长。
e：界面演化示意图，2DH 通过 π 配位抑制沟槽、孔洞与溶剂复合物堆积，构建高质量埋底界面。
图3：钙钛矿薄膜的光电性能
a/b/c：旋涂 + 退火全过程原位 PL 热图。对照组相变周期长、中间相信号持续；2DH 薄膜发光强度全程更高，相变过程更简洁。
d：PL 峰值波长随时间变化曲线。对照组中间相持续 7.39 s；IH 缩短至 4.92 s；2DH 仅 0.71 s，相变动力学显著优化。
e：发光能演化，2DH 体系能量始终接近纯 α 钙钛矿特征值。
f：DFT 理论计算，2DH 对黄相 δ 钙钛矿吸附能更强，选择性抑制杂晶生长，热力学导向纯黑相生成。
图4：应力、缺陷与离子迁移
a：时间分辨空间 PL 映射，直观展示载流横向扩散范围。2DH 修饰薄膜载流扩散长度大幅提升。
b/c：拟合得到载流扩散系数与迁移率，2DH 样品迁移能力是对照组两倍以上。
d：掠入射 X 射线 GIXRD 应力分析，2DH 薄膜衍射峰偏移斜率最小，晶格残余应力最低。
e：深能级电容 DLCP 缺陷深度分布，2DH 薄膜体相、埋底界面陷阱密度显著降低。
f：阿伦尼乌斯离子迁移活化能曲线，2DH 体系活化能达 0.55 eV，有效阻断离子迁移降解通道。
图5：器件性能与稳定性
a：倒置器件完整结构：ITO/SAM/ 钙钛矿 / PEAI/PCBM/BCP/Ag。
b：最优器件 J-V 曲线。对照组效率 25.08%；IH 改性 25.87%；2DH 修饰冠军效率 26.83%，开路电压 1.191 V、填充因子 85.61%，迟滞效应基本消除。
c：15 组器件效率统计，2DH 批次平均效率高、数据离散度小，制备重复性优异。
d：电化学阻抗 EIS 奈奎斯特图，2DH 器件电荷复合电阻更大，界面复合被抑制。
e：开路电压随光强变化拟合，2DH 斜率更低，陷阱辅助复合大幅减少。
f：莫特 - 肖特基曲线，2DH 器件内建电势更高，电荷分离驱动力更强。
g：空气避光储存稳定性，未封装 2DH 器件 1872 h 维持初始效率 94.6%。
h：氮气氛围最大功率点持续测试，936 h 后仍保有 93.8% 光电转换效率。
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