文章介绍
自组装单层（SAMs）的应用显著推动了钙钛矿太阳能电池（PSC）效率的提高。然而，SAM 分子从胶体溶液到薄膜的转变机制仍不清楚。
基于此，武汉大学余桢华等人系统地研究了 SAM 前驱体溶液以及所得 SAM 和钙钛矿薄膜的结晶质量。在原始的 SAM 溶液中发现了约 460 nm 的纤维状胶束，导致薄膜分布不均匀且覆盖率低。采用强偶极分子与 SAM 建立超分子相互作用，从而能够在溶液 （160 nm） 中形成高度单分散的立方胶束和均匀的 SAM 薄膜。埋地界面的接触由偶极矩和空间位阻之间的平衡决定。因此，基于调控 SAMs 的倒置 PSCs（0.09 cm2）和微型模块（孔径面积为 14.40 cm2）的效率分别达到 26.58%（认证 25.81%）和 22.95%。优化后的器件在 ISOS-D-1 条件下保持了 96.30%以上的初始效率 5,100 h，线性拟合外推到 T90 的 11,259 h，在 ISOS-L-2 条件下的 2,660 h 效率为 98.30%。这项工作凸显了 SAMs 胶束调控在实现高效稳定 PSC 方面的巨大潜力。该论文近期以“Monodisperse Regulation of Self-Assembled Monolayer Via Dipole Molecules for Efficient Perovskite Solar Cells”为题发表在顶级期刊Angewandte Chemie International Edition上。
图文信息
图1. 对ITO/SAM膜和ITO/SAM + CF3-PhACl膜进行了表征。通过DLS表征确定了a）MeO-2PACz和B）MeO-2PACz + CF3-PhACl溶液中的粒径分布，并对c）SAM胶束和d）SAM + CF3-PhACl胶束在室温下干燥的ITO基底上的顶视图SEM照片进行了分析。e）ITO/SAM衬底和f）具有旋涂和退火处理的CF 3-PhACl改性的ITO/SAM衬底的AFM图像。比例尺是600 nm。g）ITO/SAM衬底和h）CF 3-PhACl改性的ITO/SAM衬底的KPFM映射是600 nm。比例尺为600 nm。i）在旋涂和滴涂过程中，在没有和具有CF 3-PhACl改性的ITO基底上SAM胶束从溶液到膜的演变的示意图。
图2. 对照和CF3-PhACl改性的钙钛矿膜的暴露的掩埋界面的表征a）对照和B）CF3-PhACl改性的钙钛矿膜的暴露的掩埋界面的顶视图SEM照片，比例尺，200 nm。c）对照和CF 3-PhAC 1改性的钙钛矿膜的横截面SEM照片，比例尺，d）对照和e）CF 3-PhACl改性的钙钛矿膜的暴露的掩埋界面的AFM图像，比例尺为800 nm。h）ITO/SAM/钙钛矿和i）ITO/SAM + CF 3-PhACl/钙钛矿的能级图。
图3. 烷基胺芳族衍生物配体与钙钛矿和ITO/SAM衬底之间的化学相互作用。a）烷基胺芳族衍生物配体的静电势图像。B）烷基胺芳族衍生物配体的偶极矩。c）对照和不同烷基胺芳族衍生物改性的钙钛矿膜的暴露掩埋界面的Pb 4f的XPS光谱。d）P 2 p的XPS光谱，e）In 3d和f）用于ITO/SAM衬底和CF 3-PhACl改性的ITO/SAM衬底的O 1 s。g）MeO-2PACz和CF 3-PhACl + MeO-2PACz粉末的傅里叶变换红外光谱（FTIR）。
图4. 对照和CF3-PhACl改性的钙钛矿太阳能电池和膜的光学和电子表征。a）沉积在ITO/SAM衬底上的对照和CF3-PhACl改性的钙钛矿膜的PL光谱和B）TRPL曲线。c）对照和CF3-PhACl改性的器件的光强度依赖性VOC曲线。d）对照和e）CF3-PhACl改性的器件的埋底界面的TA谱。f）相应GSB峰的归一化电荷载流子动力学。
图5. 对照和CF3-PhACl改性的钙钛矿太阳能电池的光伏性能和稳定性测试。a）从对照和CF 3-PhAC 1改性的钙钛矿太阳能电池的J-V特性曲线导出的光伏参数的统计。B）在反向扫描下具有0.09 cm 2的活性面积的CF 3-PhAC 1改性的钙钛矿太阳能电池的J-V曲线。插图：CF 3-PhACl改性的钙钛矿太阳能电池的示意图SAM：c）在掩模面积为5.34mm2的反向扫描下的经认证的J-V曲线。d）对照和CF 3-PhACl改性的钙钛矿太阳能电池的FF损失分析。对照和CF 3-PhACl改性的钙钛矿太阳能电池的EQE光谱和积分JSC。f）在反向扫描下，具有14.40cm 2的孔径面积的CF 3-PhACl改性的钙钛矿太阳能微型模块的J-V曲线。g）在55-65 ℃和20- 30%RH的温度下，在连续MPP和用白色发光二极管（LED）照射一个太阳下，封装的器件的ISOS-L-2稳定性方案。
总之，作者证明了一种基于强偶极分子的策略，以调节SAM前体溶液以及所得SAM和钙钛矿薄膜的结晶质量。首先，我们的系统研究表明，原始SAM溶液形成单分散性差的纤维状胶束（约460 nm），导致膜的不均匀和低覆盖率。通过在SAM溶液中引入CF_3-PhACl抑制自聚集，（约160 nm），导致均匀，有序和高覆盖率的SAM膜。CF 3-PhACl分子还与钙钛矿建立强的界面相互作用，以有效地抑制在钙钛矿处形成空隙和破碎的晶粒。钙钛矿的掩埋界面。此外，还系统地研究了不同分子构型的配体对光伏性能的影响，特别强调了偶极矩和空间位阻之间的协同效应。因此，使用CF 3-PhACl制造的倒置PSC和微型模块分别实现了26.58%（认证为25.81%）和22.95%的令人印象深刻的冠军效率。此外，相应的PSC在黑暗和光热老化条件下均表现出优异的稳定性。这项工作表明，偶极分子可以调节SAM的胶束状态和成膜过程，这表明各种SAM系统可以采用一种潜在的通用方法来最大限度地发挥其在PSC中的潜力。
器件制备
器件结构：ITO/SAMs/PVSK/C60/BCP/Cu
1. 洗过的ITO，UV 15min， MeO-2PACz or MeO-2PACz + ligands (0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5 mg/mL),5000rpm 20s，110℃退火10min；无水乙醇5000rpm 20s，110℃退火10min，以清洗未锚定分子；
2. 1.5 M Cs0.05MA0.05FA0.90PbBr0.1I2.9，混合18.37 mg CsI, 197.86 mg FAI, 6.76 mg MABr, 8.88 mg MACl, 577.15 mg PbI2, 22.2 mg PbBr2
溶于DMF:DMSO=4:1 (v/v)搅拌3小时后+1.1 mg/mL PMACl, 2.1 mg/mL PbCl2, 0.4 mg/mL GuaBCl，1000rpm 5s+3000rpm 30s旋涂，结束前15s 120uL CB反相，110℃退火15min；
3. PDAI2，5000rpm旋涂，110℃退火10min；
4. 蒸镀18 nm C60 ，4.5 nm BCP；蒸镀80 nm Cu。
文章信息
Z. Zhang, Y. Xu, S. Chen, W. Li, S. Wang, C. Peng, S. Du, S. Li, X. Zhao, T. Wang, Z. Yu, Monodisperse Regulation of Self‐Assembled Monolayer Via Dipole Molecules for Efficient Perovskite Solar Cells. Angewandte Chemie International Edition, (2025).
DOI: 10.1002/anie.202512660
