p-i-n 钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其卓越的稳定性和极小的滞后效应，被视为缓解全球能源危机的一种极具潜力的解决方案。近年来，基于自组装单层(SAM)的 p-i-n PSCs 已展现出约 27% 的功率转换效率(PCEs)。与现有围绕 SAM 分子结构调制的综述不同，本工作重点关注基于 SAM 的倒置 PSC 在掩埋界面工程方面的最新进展。首先，通过对文献的全面分析，定义了八种不同的掩埋界面工程策略，并阐明了其潜在机制。其次，系统梳理了 SAM 基倒置 PSC 在稳定性研究方面的最新进展。最后，提出了优化器件效率、稳定性及可扩展商业化的策略建议。
文章概要
一、引言
p-i-n 钙钛矿电池优势稳定性高、滞后效应小，与商业晶硅电池可集成，钙钛矿 - 硅叠层电池 PCE 达 34.60%，突破肖克利 - 奎瑟极限(33.70%)。
界面工程重要性掩埋界面影响钙钛矿结晶、载流子提取，但其表征因薄膜剥离复杂而受限。
SAM 作为 HTL由锚定基团、间隔基团、头基团组成，可调功函、低电阻，代表 SAM 如 MeO-2PACz、Me-4PACz，基于 SAM 的 PSC PCE 接近 27%，但存在分子聚集、能级失配、润湿性差等问题。
二、掩埋界面工程策略
三、稳定性增强进展
SAM 分子结构调制
共轭扩展如 4PABCz 通过强 π-π 堆叠形成致密 HTL，1000h 后保留 93.98% PCE。
功能基团引入E-cbzBT 含扭曲分子结构，优化能级对齐，T₉₂超过 1000h。
掩埋界面工程
共吸附策略：MB 引入 NiOₓ/Me-4PACz 界面，1500h 紫外照射后保留 91% 效率。
化学桥接：PHMG 作为界面粘合剂，1630h 连续光照后保留 97.5% 效率。
四、总结与展望
共 SAMs 策略优势第二组分需含亲水基团(如 - NH₂)、具空间位阻，如 6PA、MPA 等，可低成本提升器件性能。
未来方向
先进表征：RAIRS、TOF-SIMS 等解析掩埋界面机制。
计算筛选：结合第一性原理与机器学习设计高效界面材料。
策略协同：ALD 技术与分子挤出工艺结合，提升大面积器件重复性。
n 型 SAM 研究：开发萘胺、富勒烯基 SAM，拓展至 n-i-p 电池。
图文信息
图 1. 自组装单层(SAM)分子结构及基于 SAM 的钙钛矿太阳能电池(PSCs)掩埋界面关键问题示意图
图 2. a) PbI₂分布调制示意图。b) 热退火过程中 IPA-CbzNaph 和 Co-CbzNaph 的原位光致发光(PL)强度演变。c) 热退火时间内的 PL 峰值强度演变。d) 两亲性 SAM 分子形成胶束及在共溶剂中分解的示意图。e) 对照组和 DMSO 处理的 2PACz-SAM 的原子力显微镜(AFM)形貌图像。f) 处理前不均匀的 2PACz-SAM 分子排列及处理后重新取向的示意图。
图 3. a) 器件结构示意图：对照组薄膜、含 Al₂O₃纳米颗粒的空穴传输层(ST-Al₂O₃)，以及结合 Al₂O₃纳米颗粒和 PEABr 的空穴传输层(ST-Al₂O₃&D-PEABr)。b) 对照组、ST-Al₂O₃、D-PEABr 和 ST-Al₂O₃&D-PEABr 薄膜在 98±1% 湿度下老化 5 天的光学图像。c) 钙钛矿溶液在 ITO/Me-4PACz、ITO/Me-4PACz/PFN-Br 和 ITO/Me-4PACz/Al₂O₃上的滚落角测量结果。d) Me-4PACz 和调制后的 NiOₓ/Me-4PACz 的表面电势 KPFM 图像。e) 照片显示裸露 Me-4PACz 对钙钛矿的润湿性差，以及 PFN-Br/Al₂O₃修饰后润湿性的改善。f) 含或不含 Al₂O₃纳米颗粒的掩埋界面示意图。
图 4. a) 涂覆在 ITO/2PACz 和 ITO / 共 SAM 上的 Sn-Pb 钙钛矿薄膜的晶格结构示意图。b) 含 2PACz、共 SAM 和甘氨酸的器件的填充因子(FF)损失分析。c) 涂覆在 ITO/2PACz(上)和 ITO / 共 SAM(下)上的钙钛矿薄膜的横截面扫描电子显微镜(SEM)图像。d) 沉积在 ITO 上的 MeO-2PACz 和混合 SAM 的薄膜结构示意图。e) SAM 分子的化学结构及其水接触角。f) 通过共沉积钙钛矿和优化混合比例的 SAMs 实现宽带隙(WBG)钙钛矿沉积过程的示意图。g) Mx-SAM 的分子结构(左：Me-4PACz，右：MeO-PhPACz)。
图 5. a) 后自组装单层(po-SAMs)沉积过程示意图。b) 自组装双层(SAB，SAM + 润湿层)结构示意图。c) 目标器件结构的横截面扫描电子显微镜(SEM)图像。d) SAM@准平面结构的作用机制示意图。e) 钙钛矿在 CNph 和 CNph@POZ-BT-PY 包覆的氧化铟锡(ITO)上的皮秒瞬态吸收(ps-TA)光谱二维伪彩色图。f) 钙钛矿在 CNph 和 CNph@POZ-BT-Py 上的表面形貌 SEM 图像。
图 6. a) MeO-2PACz、2-MeIM 和 2-MeBIM 的分子结构与球棍模型。b) 含添加剂与不含添加剂的相应薄膜的表面粗糙度。c) 对照组与混合 SAM 的示意图。d) 2PACz 基钙钛矿薄膜与共吸附(CA)基钙钛矿薄膜的掩埋界面高分辨率原子力显微镜(AFM)图像，晶界沟槽角度估计分别为 51° 和 118°。e) PAG 共吸附前后 2-PACz 的自组装示意图。f) PAG 共吸附前后 2-PACz 的示意图。
图 7. a) 目标钙钛矿太阳能电池(PSCs)的器件结构。b) 示意图展示了钙钛矿薄膜在 ITO/MeO-2PACz 和 ITO/MeO-2PACz/PFN-Br 基底上的表面电势能带图。c) 对照组和 NCL 处理的钙钛矿(PVK)薄膜的掠入射广角 X 射线散射(GIWAXS)图像。d) PACz 衍生的自组装单层(SAMs)的分子结构。
图 8. a) 导电粘合剂(PANI)的相互作用机制示意图。b) 展示 PHMG 内聚效应的示意图。c) 对照组、掩埋界面调制(BIM)和双界面调制(DIM)钙钛矿太阳能电池(PSCs)的奈奎斯特图。d) 整体设计方法的图示。F-BHI 封端的钙钛矿与 C60 和 Me-2PACz 均形成良好连接。红色光晕表示 π-π 相互作用;浅黄色虚线代表载流子传输路径。e) 9-YT 中官能团与 MeO-2PACz 之间 π-π 相互作用的示意图。
图 9. a) 钙钛矿薄膜剥离方法示意图。b) MTIm 渗透晶界并在双界面形成 1D 钙钛矿的示意图。c) CA-20、参比物和 1D 组分的固态 1D NMR 光谱(I¹H/²⁰⁷Pb)。在 ²⁰⁷Pb 光谱中，绿色竖条表示对应 3D 钙钛矿的 ²⁰⁷Pb 峰，蓝色条带突出显示 1D 组分。d) 使用配体 4 - 乙烯基苄基铵(VBA)在掩埋界面进行 2D 钙钛矿混合两步法处理的示意图。请注意，UV 处理结合热加热可诱导交联 (VBA)₂PbI₄的形成。e) 通过在 2D 钙钛矿上沉积 3D 钙钛矿形成 2D/3D 双层异质结构的示意图。f) 含和不含 2D-R 钙钛矿器件的载流子传输机制示意图。
图 10. a) PEN/ITO/SP-NiO 和 PEN/ITO/SP-NP-NiO 10(NP-NiOₓ浓度 = 10 mg・mL⁻¹)的原子力显微镜(AFM)图像。b) 含或不含 NP-NiO 的空穴传输层(HTLs)制备工艺示意图。c) 修饰 NiOₓ上的 SAM(Me-4PACz)和共 SAMs(Me-4PACz + PC)的示意图。d) 用于分子动力学模拟的钙钛矿 / SAM/NiO/SAM/NiOₓ异质结模型图示。e) 含 NA-Me 混合表面层(HSL)的冠军倒置 PSC 在正向和反向扫描时的 J–V 曲线。
图 11. a) 4PACz、P-4PACz 和 4PABCz 多层结构及其提出的空穴传输机制示意图。b) E-CbzBT 的分子结构。c) PTZ-PA 和 2Br-PTZ-PA 的分子间距离计算(键长单位为埃)d) 具有不同取代基的 SAM 分子的化学结构。e) 4PADCB 和 4PBAI 的球棍模型。f) ITO / 共 SAMs 薄膜的制备示意图。
论文信息
论文标题：Buried Interface Engineering: a Key to Unlocking the Potential of Self‐Assembled Monolayer (SAM)‐based Inverted Perovskite Solar Cells
发表期刊：《Small》
发表时间：2025年6月20日
作者：Ruida Xu, Chengji Wang, Zhiyuan Zhang, Jing Li, YuLin Wei, Kai Wang, Mingjia Xiao
