南昌大学胡笑添&台州学院林则东《‌‌AM》|新型基于芘结构的四足自组装单层膜在高效稳定反型钙钛矿太阳能电池及模块中的间隔调控作用

由 π 共轭芳香单元组成的多足自组装单层膜（SAMs）因其优异的界面锚定性能和可规模化制备特性，已成为钙钛矿太阳能电池（钙钛矿太阳能电池）中极具潜力的空穴传输层。然而，开发能够同时实现理想表面覆盖率、提升器件效率并增强长期稳定性的高性能四足SAMs仍面临巨大挑战。本研究合理设计并合成了两种新型芘中心四足SAMs——4PACz-Py-C2和4PACz-Py-C4。通过间隔基工程调控分子排布、促进空穴提取并抑制非辐射复合。基于4PACz-Py-C2优化后的钙钛矿太阳能电池实现了26.61%的功率转换效率（PCE），并在最大功率点（MPP）跟踪2000小时后仍保持初始PCE的90.1%，展现出卓越的商业化潜力。此外，基于4PACz-Py-C2的钙钛矿太阳能组件（孔径面积：21 cm²）和1.68 eV宽禁带钙钛矿器件分别实现了23.52%和23.48%的高PCE。本研究为开发新型多足SAMs以提升钙钛矿太阳能电池的效率与稳定性提供了重要应用价值。

图1 分子设计与DFT计算结果。(a)SAMs分子的化学结构、偶极矩及电子密度分布（ESP）。(b)沉积于ITO表面的4PACz-Py-C2和4PACz-Py-C4的示意图；(c)通过DFT计算得到的4PACz-Py-C2与(d)4PACz-Py-C4与ITO表面的结合模型及其结合能；(e)SAMs在ITO上的吸附能总结；(f)不同SAMs的 TGA 曲线；(g)SAMs在甲醇溶液（浓度0.2 g·mL⁻¹）及薄膜状态下的紫外吸收光谱；(h)SAMs薄膜在ITO基底上的光学透射光谱。

图2 层状吸附膜（SAM）的结构排列与能级对齐情况。(a) 4PACz-Py-C2和4PACz-Py-C4薄膜的O 1s XPS 谱图；(b) 4PACz-Py-C2及(c) 4PACz-Py-C4层状吸附膜在不同扫描速率下的循环伏安曲线。每个插图均显示氧化峰电流随扫描速率的变化关系，其拟合斜率可用于评估表面覆盖率；(d) UPS谱图；(e) 4PACz-Py-C2、4PACz-Py-C4与钙钛矿薄膜界面处的能带对齐情况；(f) 电导率测量所得的I-V曲线；(g) ITO/4PACz-Py-C2和(h) ITO/4PACz-Py-C4的 KPFM 图像；(i) KPFM 测得的对应统计CPD变化值。

图3 钙钛矿薄膜的表征。(a)钙钛矿薄膜中Pb 4f能级的 XPS 光谱。(b)4PACz-Py-C2及4PACz-Py-C2+PbI₂粉末的 FTIR 透射光谱。(c) XRD 图谱；(d)俯视SEM图像；(e)截面SEM图像；(f)二维 GIWAXS 图像；(g)沉积于4PACz-Py-C2和4PACz-Py-C4基底上的钙钛矿薄膜的AFM图像。

图4 电荷传输机制示意图。(a)4PACz-Py-C2和(d)4PACz-Py-C4基钙钛矿薄膜的伪彩色fs-TA谱图；(b)基于4PACz-Py-C2与(e)基于4PACz-Py-C4的钙钛矿薄膜的归一化fs-TA光谱；(c)这些样品的归一化fs-TA动力学曲线；(f)不同样品中热载流子平均温度随延迟时间的变化关系；(g)钙钛矿薄膜的PL发射光谱；(h) TRPL 光谱；(i)沉积于4PACz-Py-C2和4PACz-Py-C4基底上的钙钛矿薄膜的TPC曲线。

图5 钙钛矿太阳能电池的器件性能。(a)器件结构及自组装单层膜与钙钛矿薄膜之间的界面相互作用机制。(b)器件的J-V曲线。(c)钙钛矿太阳能电池的 EQE 光谱及积分电流密度曲线。(d)基于20个器件测得的统计光电转换效率、电压转换效率和填充因子。(e)钙钛矿太阳能电池的 TPV 衰减曲线及(f)莫特-肖特基图。(g)基于4PACz-Py-C2材料制备的、孔径面积为21 cm²模块的钙钛矿太阳能电池代表性J-V曲线；(h)经4PACz-Py-C2处理的宽带隙钙钛矿太阳能电池的代表性J-V曲线。

图6 老化测试与长期稳定性。(a)不同自组装单层膜（SAMs）上经高湿度老化处理后的钙钛矿薄膜照片；(b)(c)沉积于不同SAMs上的钙钛矿薄膜在老化前及老化后的 XRD 图谱；(d)未封装器件经2000小时老化后的最大功率转换效率（MPP）；(e)未封装器件在65±5°C持续加热912小时后的归一化光电转换效率（PCE）。