南开张晓丹AFM新策：平行分子涂布破宽带隙钙钛矿界面难题

主要内容

南开大学张晓丹教授、赵颖教授带领其团队在钙钛矿太阳能电池（PSCs）领域取得重要突破。在钙钛矿太阳能电池的研究中，虽然利用有机分子进行界面工程能够有效提升电池的光电转换效率（PCE），但传统的旋涂法在制备大面积钝化层时，面临着厚度均匀性难以保证的难题，这极大地限制了钙钛矿太阳能电池向大规模商业化应用的发展。

针对这一问题，该团队创新性地将三种具有优先平行取向的多功能有机分子——N-苯基硫脲（PTU）、1-苄基硫脲（BTU）和2-苯乙基硫脲（PTTU），通过刮刀涂布法应用于宽带隙（1.68eV）钙钛矿薄膜表面，以此实现对表面缺陷的有效调控。

团队通过密度泛函理论（DFT）计算与实验研究相结合的方式，深入探究了分子特性与器件性能之间的关系。研究发现，延长有机分子的烷基链长度能够显著增强分子在钙钛矿薄膜表面的平行取向。这种增强的平行取向有利于界面处的纵向电荷提取，进而提高电池的电荷传输效率，同时还能改善薄膜的厚度均匀性。

在所研究的三种分子中，具有最佳烷基链长度的BTU分子展现出了最为优异的协同改性效果。基于这一发现，团队制备的钙钛矿太阳能电池在0.08875cm²和1.0cm²的有效面积下，分别取得了22.12%和20.19%的顶尖光电转换效率。这一成绩在刮刀涂布制备的p-i-n型PSCs（带隙Eg≈1.68eV）中处于领先水平，充分证明了该策略在提升电池性能方面的有效性。

此外，经BTU处理的PSCs在未封装的情况下，经过1600小时的稳定性测试后，仍能保持初始PCE的95%以上，展现出优异的长期稳定性。团队还通过刮刀涂布工艺成功制备了10×10cm²的大面积薄膜，且相应小面积器件性能稳定，这进一步凸显了该设计在大规模生产中的可扩展性。

本研究不仅加深了团队对分子结构、取向与器件性能之间内在联系的理解，还为设计多功能有机分子以提高薄膜均匀性和电荷传输性能提供了一种综合策略。这一策略为高性能和大面积钙钛矿太阳能电池的开发开辟了新的途径，对于推动单结钙钛矿太阳能电池和钙钛矿/硅叠层太阳能电池迈向商业化应用具有重大意义。

文献信息

Scalable Interface Engineering in Wide-Bandgap Perovskite Solar Cells via Blade-Coating Molecules with Promoted Parallel Orientation

Zhen Liu, Pengyang Wang, You Gao, Xin Ge, Yuan Luo, Xiaona Du, Shengzhi Xu, Biao Shi, Shuainan Liu, Ying Zhao, Xiaodan Zhang

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202510444