黄劲松，2026首篇Science！

研究背景

金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）具有高功率转换效率和低成本制造潜力。目前，基于膦酸的自组装单分子层（PA-SAMs）被广泛用作空穴传输层以提升初始效率。

关键问题

目前，钙钛矿太阳能电池的开发主要存在以下问题：

1、界面化学反应引发降解

尽管 PA-SAMs 能提高初始效率，但在 85°C 光照测试中常失效。研究发现 PA 分子中未锚定的酸性基团会与钙钛矿发生反应，导致碘化物氧化、阳离子分解及金属铅还原，这些反应在高温和紫外光下会显著加速。

2、分子锚定薄弱导致脱附

传统PA-SAMs中约 30% 的分子仅通过微弱的氢键与透明导电氧化物（TCO）结合。在运行过程中，这些弱键合分子容易从基底脱附并迁移至钙钛矿内部，暴露出的反应性酸性基团会直接催化界面降解，损害电池寿命。

新思路

有鉴于此，北卡罗来纳大学教堂山分校黄劲松等人研究发现，微弱结合在氧化铟锡（ITO）上的 PA 分子的酸性质子会加速碘化物的氧化、甲脒（formamidinium）的分解以及铅离子的还原，且这些反应在高温和紫外光照射下会进一步加速。此外，一些常见的弱结合 PA 分子会从 ITO 上解吸并与钙钛矿反应。本文合成了一种基于双(二芳基氨基)联苯的 PA（1PA-TPD），它能更牢固地结合在ITO上。实验证明，将其用于PSCs后，在85°C、含紫外线的光照及最大功率点追踪下，运行寿命（T90）接近3000小时。面积大于20平方厘米的微型组件效率超过22%，在类似条件下T90 寿命约为2200小时。

技术方案：

1、提出了光热条件下膦酸（PA）与钙钛矿的化学降解机制

在高温和紫外线下，PA界面层酸性基团破坏钙钛矿稳定性，可引发分解和氧化反应，导致电池寿命衰减。

2、研究了氢键导致的SAM分子局部脱附与界面失效

酸洗工艺揭示PA分子在TCO表面锚定模式，弱键合分子易脱附引发界面降解，酸洗后器件效率降低，提升共价键合是关键瓶颈。

3、设计了强锚定1PA-TPD分子

新型膦酸分子1PA-TPD通过优化结构增强与基底结合力，酸洗后分子流失率显著降低，DFT计算证实其稳定锚定，提升界面稳定性并助力高效电荷提取。

4、展示了组件级的成功应用

1PA-TPD应用于钙钛矿电池，提升结晶质量和载流子寿命，小面积器件T90寿命达3000小时，大面积组件效率超22%，稳定性显著增强，推动商业化应用。

技术优势：

1、首次阐明了PA中间层的光降解途径

本文首次系统阐明了 PA 界面层与钙钛矿之间的光热降解途径，提出了降解新机制，即酸性磷酸基团对钙钛矿组分的化学破坏作用。

2、设计了强锚定分子

作者开发出 1PA-TPD 分子，通过增强与基底的共价结合力，抑制了分子的脱附与界面反应，显著提升了器件在严苛环境下的运行可靠性。

技术细节

光热条件下膦酸（PA）与钙钛矿的化学降解机制

研究系统揭示了在高温和紫外线照射下，PA界面层中活性酸性基团对钙钛矿稳定性的破坏作用.。通过核磁共振（NMR）分析发现，当PA分子（如MPA）与甲脒碘（FAI）混合加热时，PA中的酸性质子会促使FA⁺阳离子发生脱质子反应，进而分解生成氨气（NH₃）和氢氰酸（HCN），光谱中观察到明显的NH₄⁺特征峰证实了这一降解路径。此外，紫外-可见吸收光谱显示，酸性环境显著加速了碘化物（I⁻）的氧化，生成三碘化物（I₃⁻），且反应速率与酸的pKa值（酸性强度）呈强负相关78。XRD测试进一步证明，PA分子会诱导Pb²⁺还原为金属铅（Pb⁰），并与PbI₂反应生成磷酸铅化合物及碘化氢（HI），后者在紫外光下会进一步削弱Pb-I键，形成恶性循环，加速薄膜彻底分解。这一发现阐明了为何尽管PA-SAMs能提升初始效率，但在实际工作条件下会导致电池寿命迅速衰减。

图 PAs和钙钛矿的化学反应

氢键导致的SAM分子局部脱附与界面失效

研究深入探讨了PA分子在透明导电氧化物（TCO）表面的锚定模式及其对稳定性的影响。研究者通过创新性的“酸洗工艺”（使用弱酸如H₃BO₃或醋酸），成功区分了共价锚定与氢键结合的分子。实验数据表明，在常用的PA-SAM层（如EtCz3EPA）中，约有29%至32%的分子仅通过微弱的氢键与ITO基底结合。这些弱键合分子虽然能通过最初的溶剂清洗，但在电池运行过程中，受热或紫外线影响极易发生脱附并迁移至钙钛矿层内部，暴露出的游离酸性基团会直接催化前述的界面降解反应。对比测试显示，酸洗移除这些弱键合分子后，由于分子覆盖率降低，器件的初始光电转换效率（PCE）平均下降了20%，这有力证明了提升分子锚定强度、确保全共价键合是解决界面不稳定性、维持高性能的关键技术瓶颈。

图 用酸取代氢键键合的PA

强锚定1PA-TPD分子的设计逻辑与性能验证

为了克服传统PA分子的脱附问题，研究团队设计并合成了一种基于三苯胺核心的新型膦酸分子（1PA-TPD）。该分子旨在通过优化分子结构增强与基底的化学结合力。利用AFM-IR光谱映射、循环伏安法（CV）及XPS测试进行多维度验证，结果显示1PA-TPD在经过强力酸洗后，分子流失率显著降低：CV测试显示仅有约11%的分子被移除，而XPS测得的覆盖率下降仅为6%，远低于传统分子的30%左右。密度泛函理论（DFT）计算从微观角度解释了这一现象，证实1PA-TPD与ITO之间形成了能量更强、更稳定的In-O共价键，且分子间的范德华相互作用也辅助增强了锚定稳定性。这种稳固的界面构建方案不仅抑制了有害的化学反应，还利用三苯胺优异的空穴传输能力，为高效电荷提取奠定了物理基础，从而实现了高性能与高稳定性的统一。

图 用于在ITO上稳固键合的SAM分子的设计

光热稳定性的大幅提升与组件级的成功应用

研究将优化的1PA-TPD应用于倒置钙钛矿电池，不仅改善了界面稳定性，还显著提升了钙钛矿薄膜的结晶质量。GIXRD和瞬态荧光（TRPL）测试表明，目标器件的衍射强度提升了50%，载流子寿命延长至1.2 μs（约为对照组的2.6倍），有效降低了深能级缺陷密度。在严苛的85°C全光谱光照（含紫外线）及最大功率点（MPP）跟踪测试下，小面积器件展现出卓越的可靠性，T90寿命接近3000小时。更具商业意义的是，该策略在面积大于20 cm²的微型组件上也取得了突破，实现了超过22%的效率，并在相同条件下维持了约2200小时的T90寿命。这一成果标志着通过精准调控界面分子锚定强度，可以有效解决钙钛矿组件在大面积、复杂环境下的稳定性难题，为该技术的商业化应用扫清了重大障碍。

图 PSC的增强的光热稳定性

图 光热条件下稳定的钙钛矿微型模块

展望

本研究识别并解决了钙钛矿光伏领域中一个此前未被重视的降解机制：PA 界面层与钙钛矿在光热协同作用下的化学反应。通过设计并应用具有极强锚定能力的 1PA-TPD 分子，有效抑制了有害界面反应，显著提升了电池及组件的长期运行稳定性。该策略为开发满足商业部署要求的可靠钙钛矿太阳能组件提供了关键的技术路径。

参考文献：

CHENGBIN FEI, et al. Limiting phosphonic acid interlayer–perovskite reactivity to stabilize perovskite solar modules. Science, 2026, 391(6780).

DOI: 10.1126/science.adz7969

学术交流QQ群

知光谷光伏器件学术QQ群：641345719

钙钛矿产教融合交流@知光谷（微信群）：需添加编辑微信

为加强科研合作，我们为海内外科研人员专门开通了钙钛矿科创合作专业科研交流微信群。加微信群方式：添加编辑微信pvalley2024，备注：姓名-单位-研究方向（无备注请恕不通过），由编辑审核后邀请入群。