Alex K.-Y. Jen&许宗祥等人Nat. Synth.全面解读：浸涂法制备自组装单层实现27.23%认证效率的钙钛矿太阳能电池

第一作者： Geping Qu, Siyuan Cai, Yuli Tao, Letian Zhang

通讯作者：潘旭、高峰、Ying Qiao、Alex K.-Y. Jen、许宗祥

通讯单位：南方科技大学、香港城市大学、瑞典林雪平大学等

研究亮点：

1.针对自组装单层（SAM）可扩展制备的难题，设计了一种不对称分子B‑PhpPACz，兼具甲氧基和苯并咔唑骨架，抑制溶液聚集、增强偶极矩，并通过乙醇‑水（1.5 vol% H₂O）溶剂工程，实现了≤5分钟浸涂法快速成膜。

2.浸涂法在透明导电氧化物上形成致密均匀的SAM，覆盖密度达6.21×10¹³分子/cm²，优于旋涂法，且SAM溶液和已修饰衬底均可重复使用20次以上，材料消耗仅为旋涂法的1/4。

3.基于浸涂SAM的小面积（0.071 cm²）钙钛矿太阳能电池获得27.23%认证效率，1 cm²器件效率25.75%，12 cm²组件效率23.25%，柔性75 cm²组件效率16.60%。

4.浸涂器件在ISOS‑L‑II标准下3000小时后保留93%初始效率，且在‑1.2 V反向偏压、湿热等老化条件下均优于旋涂器件，展现了优异的可扩展性和稳定性。

一、本研究针对的问题与挑战

自组装单层作为空穴选择性接触已实现超过26%的认证效率，但其可扩展制备仍是工业化瓶颈。传统旋涂法溶液利用率低、难以均匀覆盖大面积或柔性衬底；狭缝涂布等替代工艺则面临分子聚集和额外清洗步骤。理论上，浸涂法（soak coating）适合大规模和柔性加工，但此前报道的浸涂工艺需要数小时浸泡，且效率远低于旋涂。

二、成果简介

本文中科院潘旭、林雪平大学高峰、香港城市大学Ying Qiao、Alex K.-Y. Jen和南方科技大学许宗祥等人通过分子设计和溶剂工程，开发了一种快速（≤5分钟）、高效、可循环的浸涂法制备SAM。关键分子OB‑PhpPACz采用不对称结构：甲氧基取代的苯并咔唑头部与苯基膦酸锚定基团相连。甲氧基与乙醇形成强氢键（键长1.88 Å），显著抑制分子聚集（Z均粒径从1185 nm降至213 nm）；同时，在乙醇中添加1.5 vol%水，进一步提高溶剂介电常数（从19.87升至31.08），将Z均粒径进一步降至27 nm，并增强SAM与FTO的吸附能（从-3.43 eV升至-7.31 eV）。浸涂法在5分钟内形成致密、均匀的单层，覆盖密度较旋涂提高一倍以上，且SAM溶液和已修饰衬底均可重复使用20次以上。基于此，小面积器件认证效率27.23%，1 cm²器件25.75%，12 cm²组件23.25%，柔性75 cm²组件16.60%，同时器件运行稳定性和耐偏压能力显著提升。

三、结果与讨论要点 1SAM分子设计——抑制聚集与优化能级

对比三种分子：Bz‑PhpPACz（无甲氧基）在乙醇中Z均粒径1185 nm，聚集严重；OMe‑PhpPACz（两个甲氧基）粒径77 nm，分散性好但其两个甲氧基的孤对电子抬高HOMO能级，导致与钙钛矿价带偏移增大（ΔEh=1.37 eV），Voc偏低。OB‑PhpPACz（单个甲氧基+苯并咔唑）粒径213 nm，兼具良好分散性和较高偶极矩（3.03 D），能级匹配最优（ΔEh=1.12 eV），形成电子阻挡层，抑制非辐射复合。XPS表明浸涂后OB‑PhpPACz在FTO上覆盖均匀，而旋涂存在中心稀疏边缘堆积。DLS、接触角、GI‑FTIR等证实OB‑PhpPACz分子垂直锚定、堆积致密。

要点 2溶剂工程——乙醇+1.5 vol%水的协同效应

在四种醇溶剂中，OB‑PhpPACz在乙醇中分散性最好（Z均213 nm），理论计算显示乙醇与甲氧基的氢键最强（键长1.88 Å，吸附能-1.52 eV）。进一步添加1.5 vol%水后，Z均粒径骤降至27 nm，介电常数升高，分子间静电屏蔽增强；SEM显示无添加时SAM表面有大量聚集颗粒，加水后表面光滑；PL面扫描显示无水SAM发光不均匀，加水后整个5×5 mm²区域发光均匀；分子动力学模拟显示表面覆盖率从68%升至88%，DFT计算吸附能从-3.43 eV增至-7.31 eV。器件效率从26.46%提升至27.04%，主要增益在填充因子。

要点 3浸涂工艺的快速性、均匀性与可持续性

浸涂工艺：将FTO浸入SAM溶液5分钟（超声辅助），取出后70°C/120°C退火，再用乙醇漂洗去除未锚定分子。XPS显示浸涂后三个不同位置（中心、中间、边缘）的P/Sn和N/Sn比值高度一致，而旋涂差异明显。循环伏安法测得浸涂SAM覆盖密度为6.21×10¹³分子/cm²，旋涂仅为2.65×10¹³。同一份SAM溶液可重复使用20次，20次后器件效率仍保持初始批次的97%（26.31%）；浸涂法每片衬底消耗溶液仅0.21 mL，旋涂为0.84 mL。此外，已修饰的FTO衬底经水超声清洗后，可两次回收利用，效率仍>26%。

要点 4器件性能及其稳定性

小面积（0.071 cm²）浸涂冠军器件：Voc 1.191 V，Jsc 26.37 mA/cm²，FF 86.24%，PCE 27.09%；认证反向扫描PCE 27.23%，MPPT稳态26.69%。EQE积分Jsc 25.8 mA/cm²。1 cm²器件：PCE 25.70%（认证25.75%），而旋涂仅24.46%。12 cm²刚性组件（串联）PCE 23.25%，优于旋涂组件（21.98%）。柔性PEN/ITO基底：小面积（0.071 cm²）PCE从23.93%提升至24.98%；1 cm²柔性器件从21.59%提升至23.98%；75 cm²柔性组件PCE 16.60%（旋涂仅11.11%）。电致发光成像显示浸涂器件1 cm²面积发光均匀，无暗斑，而旋涂器件边缘亮度梯度明显且存在暗斑。电致发光外量子效率（EQEEL）浸涂为5.57%，旋涂为3.76%。

在ISOS‑L‑II（45±10°C，连续光照MPPT）下，浸涂器件3000小时后保留93%初始效率，旋涂仅84%。在85°C高温MPPT下，浸涂器件500小时后保留>90%，旋涂下降至~70%。在‑1.2 V反向偏压老化（暗态）下，浸涂器件200小时后仍保持>90%效率，旋涂快速衰减。在户外高湿（>85% RH）52天测试中，浸涂器件效率保持~90%，旋涂仅~75%。这些改进归因于更致密、均匀的SAM减少了分流路径和界面复合。

四、小结

本文通过分子不对称设计（OB‑PhpPACz）和乙醇‑水溶剂工程，首次实现了快速（≤5分钟）、高均匀、可循环的浸涂法制备自组装单层。甲氧基与乙醇的强氢键及水的介电屏蔽效应显著抑制分子聚集，增强了SAM与FTO的锚定密度和能级匹配。浸涂工艺在0.071 cm²小面积上获得27.23%认证效率，并成功放大至1 cm²单电池、12 cm²刚性组件和75 cm²柔性组件，性能均优于旋涂对照。同时，SAM溶液和衬底均可重复使用20次以上，材料消耗仅为旋涂的1/4。浸涂器件在光热、高湿、反向偏压等老化条件下均表现出卓越的稳定性。该工作为自组装单层的大规模、低成本、绿色制造提供了实用路径，对钙钛矿光伏产业化具有重要推动作用。

五、参考文献

Qu, G., Cai, S., Tao, Y. et al. A self-assembled monolayer via rapid and scalable soak coating for perovskite solar cells. Nat. Synth. (2026).

https://doi.org/10.1038/s44160-026-01089-2

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