文章介绍
反式钙钛矿太阳能电池(PSCs)在自组装分子(SAMs)技术进步的推动下取得了快速的发展。然而，实现基底上均匀的SAM覆盖仍然是一个挑战，这直接影响着器件的性能和稳定性。
基于此，南开大学姜源植等人介绍了一种具有刚性芳香环结构的SAM—4-(芘-1-基)苯基膦酸(PhPAPy)。分子动力学(AIMD)模拟表明，这种刚性限制了分子的旋转自由度，从而促进了分子在基底上近乎垂直的取向。此外，平面芘环之间的π-π相互作用增强了分子的堆积，形成了均匀且致密的SAM层。因此，均匀的PhPAPy有效地减少了钙钛矿与基底的直接接触，改善了界面特性，减少了埋底界面缺陷，并提高了器件的效率和稳定性。使用PhPAPy SAM，所组装的反式PSCs实现了26.74%的PCE，以及经过认证的稳定功率输出(SPO)效率为26.12%(由中国计量科学研究院认证)。这些器件在65℃、环境湿度(ISOS-L-2)条件下连续AM 1.5G光照下进行最大功率点跟踪(MPPT)2000小时后，仍保持了其初始效率的95%。该论文近期以“Homogenized Self-Assembled Molecules for Inverted Perovskite Solar Cells”为题发表在顶级期刊Angewandte Chemie International Edition上。
研究亮点：
新型SAM材料的开发：研究团队设计并合成了PhPAPy，通过化学合成方法实现了该材料的制备，并对其化学结构进行了表征。
分子动力学模拟揭示机理：通过从头算分子动力学(AIMD)模拟，研究团队揭示了PhPAPy分子在基底上的近乎垂直取向以及分子间π-π相互作用的增强机制。这种分子取向和相互作用显著提高了SAM层的均匀性和致密性。
显著提升的器件性能：基于PhPAPy的反式PSCs实现了经过认证的稳定功率输出(SPO)效率为26.12%，反向扫描效率为26.74%。此外，器件在65℃、环境湿度条件下连续最大功率点跟踪(MPPT)2000小时后，仍保持了初始效率的95%，展现出卓越的长期稳定性。
研究内容：
研究团队成功开发了一种新型的SAM材料——4-(芘-1-基)苯基膦酸(PhPAPy)。该材料具有刚性的芳香环结构，能够通过π-π相互作用实现分子间的紧密堆积，从而形成均匀且致密的SAM层。
研究意义：
材料设计与界面工程的突破：PhPAPy SAM的成功开发为钙钛矿太阳能电池的HTL设计提供了新的思路。其通过分子结构设计实现均匀覆盖和界面优化的方法，为解决SAM在基底上均匀性问题提供了有效的解决方案。
器件性能的显著提升：基于PhPAPy的反式PSCs实现了超过26%的光电转换效率和卓越的长期稳定性，这一成果不仅刷新了反式PSCs的效率记录，也为钙钛矿太阳能电池的商业化应用奠定了坚实的基础。
图文信息
图1.(a，b)(a)4PACz和(b)PhPAPy分子的化学结构、静电势表面(EPS)和偶极矩。(c，d)在300 K下进行分子动力学(AIMD)模拟时，SAM分子在ITO表面上的角度演化，以及(c)4PACz和(d)PhPAPy在ITO基底上的最终构型。(e，f)在ITO基底上多个(e)4PACz和(f)PhPAPy分子的排列和分子间相互作用。(g，h)(g)4PACz和(h)PhPAPy在ITO基底上涂层的示意图。
图2.(a)ITO上P元素的XPS图，其中P元素的分布表明了SAM的均匀性。(b)4PACz和PhPAPy薄膜的O 1s XPS谱图。(c)4PACz和PhPAPy SAM在ITO基底上的AFM 3D形貌图像。(d)4PACz和PhPAPy对应的CPD图像。(e)不同SAM的C-AFM图像及其对应的表面电流信号。(f)循环伏安法中ITO/4PACz和ITO/PhPAPy的氧化峰的峰电流与扫描速率之间的关系;插图为在邻二氯苯(o-DCB)溶液中不同扫描速率下的相应循环伏安图。
图3.(a)基于4PACz和PhPAPy的仅空穴的SCLC曲线。(b)基于4PACz和PhPAPy的器件在暗态下的电流密度-电压(J-V)曲线。(c，d)与不同HTLs接触的PVK的TRPL和PL光谱。(e，f)具有4PACz和PhPAPy的器件的TPV和EIS光谱。
图4.(a)太阳能电池器件结构示意图。(b)器件的截面SEM图像。(c)基于不同HTLs的器件的J-V曲线。(d)基于PhPAPy的器件的EQE光谱和积分电流曲线。(e，f)基于不同HTLs的器件的Voc、FF和PCE的统计数据。(g)4PACz和PhPAPy器件的EQEEL对比;插图为PhPAPy器件的电致发光。(h)基于4PACz和PhPAPy的器件的Voc对光强的依赖性。(i)不同HTLs器件的FF S-Q极限，包括电荷传输损失和非辐射复合损失。
图5.(a)不同HTLs器件的稳定功率输出(认证效率)。(b)基于4PACz和PhPAPy封装后的钙钛矿太阳能电池PSCs的湿热稳定性测试。(c)在模拟AM 1.5G光照条件(100 mW cm⁻²)下，65℃环境下，封装后的4PACz和PhPAPy PSCs的MPPT测试结果。
总之，作者等人展示了一种高覆盖率且均匀的HTL，用于高性能、高稳定性的反式钙钛矿太阳能电池。研究表明，PhPAPy分子在基底上近乎垂直的取向，结合芘环的大平面共轭结构，在增强分子间强烈的π-π相互作用中发挥了关键作用，从而实现了均匀且致密的SAM覆盖。这种均匀的PhPAPy薄膜最小化了基底与钙钛矿之间的直接接触，降低了缺陷密度，并抑制了非辐射复合，从而提升了器件性能。因此，采用这种HTL的钙钛矿太阳能电池实现了经过认证的稳定功率输出(SPO)效率为26.12%，反向扫描效率为26.74%，并展现出优异的长期运行稳定性。这项工作为设计高效且稳定的HTL提供了理论指导，为反式钙钛矿太阳能电池及组件的大面积制造铺平了道路。
索比光伏网 https://news.solarbe.com/202505/22/389454.html
