Alex K.-Y. JenJoule分子界面强化织构化钙钛矿 / 硅电池电荷提取

主要内容

单片钙钛矿/硅叠层太阳能电池因可突破单结器件的理论效率极限，已成为实现高效、高性价比光伏技术的重要途径。在该领域中，p–i–n型钙钛矿结构凭借制备工艺简单、光学调控效果优异的优势备受关注。自组装分子（SAMs）作为可调控的空穴选择层，在这类器件中扮演关键角色，能够优化能级匹配，同时抑制钙钛矿/复合层界面处的载流子复合。尽管已取得上述进展，但在织构化表面实现自组装分子均匀且稳定的覆盖，仍是钙钛矿/硅叠层电池面临的一大挑战。

针对这一挑战，慕尼黑大学（LMU Munich）Erkan Aydin、南方科技大学许宗祥以及香港城市大学Alex K.-Y. Jen、Geping Qu等人团队提出核心研究假设：对用作空穴传输材料的4PADCB分子进行共轭连接基团功能化修饰，有望提升叠层电池的光伏性能。

在对采用C-4PADCB与Bz-PhpPACz的钙钛矿/硅叠层电池开展初步筛选实验时，研究团队观察到C-4PADCB基器件表现出更优异的性能，后续溯源发现这一现象源于材料中存在的溴杂质。这一意外发现为后续分子设计提供了重要启发，基于该关键发现，团队设计并合成了溴取代的4PADCB衍生物——Bz-PhpPABrCz（即(4-(5-溴-7H-二苯并[c,g]咔唑-7-基)苯基)膦酸），并将其与Bz-PhpPACz（即(4-(7H-二苯并[c,g]咔唑-7-基)苯基)膦酸）共混，构建出二元混合自组装分子层（Mix SAM, Mixed Self-Assembled Monolayer），成功在织构化界面实现了更高效的空穴提取与缺陷钝化效果。

实验与计算分析结果表明，共轭型自组装分子因其较强的分子间相互作用，以及在氧化铟锡（ITO）基底上较高的堆积能，可在织构化硅基底表面形成更致密的覆盖层。因此，沉积于混合自组装分子层与C-4PADCB层上的钙钛矿薄膜，晶格应变减小、表面褶皱减少，结晶质量显著提升。研究团队采用的瞬态表面光电压（Tr-SPV）分析技术进一步证实，混合自组装分子层基钙钛矿薄膜具备高效电荷提取能力，这得益于共轭连接基团对光生空穴的高效分离作用；而溴取代修饰则可进一步强化粗糙织构化表面的界面钝化与空穴提取效率。

器件性能测试结果显示，基于该混合自组装分子层的器件，填充因子与光电转换效率显著提高；对宽带隙单结器件的稳定性测试也证实，含共轭连接基团的自组装分子层可赋予器件更优异的稳定性。

本研究结果表明，自组装分子的共轭化修饰有助于改善电荷传输性能，这对在粗糙织构化表面难以形成完美有序单分子层的自组装分子体系而言具有尤为重要的价值；同时，自组装分子端基中的溴元素，是实现织构化叠层电池性能最优化的关键因素。此外，研究还强调了实验中严格把控商用自组装分子纯度的重要性——非刻意引入的杂质可能改变界面特性，进而干扰不同研究间结果的公允对比。

综上，该研究为自组装分子的分子设计提供了关键理论指导，也为钙钛矿基光电器件高性能界面层的合理构建开辟了新路径。

文献信息

Enhancedchargeextractionintexturedperovskite-silicontandemsolarcellsviamolecularcontactfunctionalization

JianHuang，LetianZhang，CemYilmaz，GepingQu，IdoZemer，RikHooijer，SiyuanCai，AliBuyruk，HaoZhu，MeriemBouraoui，AchimHartschuh，RyotaMishima，KenjiYamamoto7，CanerDeger，IlhanYavuz，AlexK.-Y.Jen，EsmaUgur，StefaanDeWolf，IgalLevine，Zong-XiangXu，ErkanAydin

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(25)00408-8