论文概览
针对倒置钙钛矿太阳能电池（PSCs）中自组装单分子层（SAMs）存在的膜层不均匀、界面接触差及空穴传输效率低等关键问题，内蒙古师范大学、河南大学与河南师范大学联合团队创新性提出一种π共轭分子桥策略，设计并合成具有螺芴桥联骨架的多功能小分子2TPA-SP。该分子通过强π–π堆叠作用与咔唑类SAM（BCZ）结合，显著增强空穴传输层（HTL）的致密性与覆盖度；其甲氧基可与未配位Pb²⁺形成C–O–Pb配位键，有效钝化界面缺陷；三苯胺单元进一步提升空穴提取与传输能力。基于2TPA-SP的倒置PSCs实现了26.45%的光电转换效率（PCE），并在AM 1.5G持续光照1000小时后仍保持93.6%的初始效率。此外，10 cm × 10 cm迷你组件效率达22.26%，展现出良好的规模化应用潜力。该研究以“A π-Conjugated Molecular Bridge Strategy for Constructing Efficient Hole Transport Pathways in Inverted Perovskite Solar Cells”为题发表于Angewandte Chemie International Edition。
技术亮点
强π–π堆叠分子桥设计：2TPA-SP分子中螺芴桥联的π共轭骨架与BCZ咔唑基团形成强相互作用，抑制SAM聚集，提升HTL薄膜均匀性与致密性。
多重功能协同作用：甲氧基钝化界面Pb²⁺缺陷，三苯胺单元增强空穴传输，螺芴桥提升分子刚性及堆叠有序性，实现界面修饰、缺陷钝化与传输增强的三重效果。
残余应力显著释放：GIXRD测试表明2TPA-SP使钙钛矿薄膜残余应力从78.53 MPa降至7.52 MPa，有效抑制晶格畸变与界面降解。
高效大面积组件兼容：迷你组件效率超过22%，且器件参数分布集中，展现出良好的工艺重复性与规模化制备潜力。
研究意义
✅ 突破传统SAM性能瓶颈：通过分子桥策略解决SAM膜层不均、界面接触差及传输效率低的问题，为高性能HTL设计提供新思路。
✅ 实现高效率与高稳定性兼备：器件效率突破26%，且光照1000小时后效率保持率超93%，兼具优异运行稳定性。
✅ 多维界面调控机制：从能级对齐、缺陷钝化、应力释放等多维度优化界面特性，提升载流子提取与抑制非辐射复合。
✅ 推动倒置PSCs产业化进程：大面积组件效率领先，且工艺兼容性强，为倒置结构PSCs的商业化应用提供材料基础。
深度解析
图1展示了π-π共轭分子桥的设计与界面调控机制。研究人员设计合成的2TPA-SP分子通过螺芴桥联骨架和末端三苯胺基团构建了强π-π堆积通道。理论计算显示该分子与BCZ空穴传输层形成互补电荷分布（BCZ的咔唑单元带正电，2TPA-SP的C=C键带负电），红外光谱证实其C=C键振动峰从1595.6 cm-1蓝移至1585.2 cm-1，表明形成了强π-π共轭作用。动态光散射实验证明添加2TPA-SP可将BCZ胶束尺寸从50-1300 nm缩小至200 nm以下，显著改善了溶液均匀性。开尔文探针力显微镜显示复合HTL的接触电位差从-760 mV降至-850 mV，表面电位分布更均匀，这些结果为构建高效空穴传输通道奠定了理论基础。
图2揭示了2TPA-SP在钙钛矿界面的多功能调控作用。FT-IR和XPS证实分子中甲氧基与Pb2+形成C-O···Pb配位键（Pb 4f结合能向低能方向移动），有效钝化界面缺陷。二维掠入射X射线散射显示改性薄膜的(100)和(200)晶面衍射环强度显著增强，PbI2信号（qr≈9 nm-1）被抑制。X射线应力分析表明2TPA-SP将钙钛矿薄膜残余应力从78.53 MPa降至7.52 MPa，这种应力释放效应源于分子与钙钛矿晶格的协调作用，为制备高质量光吸收层提供了关键保障。
图3系统研究了载流子动力学行为。稳态荧光光谱显示2TPA-SP处理薄膜的PL强度降低且淬灭更显著，时间分辨荧光寿命从1453.6 ns缩短至844.6 ns，表明空穴提取效率提升。空间电荷限制电流测试测得空穴迁移率从4.8×10-5 cm2 V-1 s-1提高至6.3×10-5 cm2 V-1 s-1。热导纳谱和阻抗分析证实陷阱态密度从2.92×1015 cm-3降至2.14×1015 cm-3，复合电阻增大，这些数据共同揭示了π-π共轭桥在促进电荷传输、抑制非辐射复合方面的关键作用。
图4展示了器件性能与稳定性突破。冠军器件效率达26.45%（Voc=1.19 V，Jsc=26.02 mA cm-2，FF=85.41%），外量子效率积分电流与J-V测试结果高度吻合。10×10 cm2微型组件效率提升至22.26%，验证了技术的可扩展性。最大功率点跟踪显示器件在1000小时连续运行后仍保持93.6%的初始效率，这种卓越的稳定性源于2TPA-SP对界面缺陷的钝化和残余应力的消除，为钙钛矿太阳能电池商业化提供了重要参考。
结论展望
本研究通过理性设计π共轭分子桥2TPA-SP，成功构建了高效、稳定且致密的空穴传输通道，实现了倒置钙钛矿太阳能电池界面特性的多维优化。该策略不仅显著提升了器件效率（26.45%）与运行稳定性（1000小时保持率93.6%），更在大面积组件中展现出22.26%的效率，具有较强的产业化应用潜力。该工作为未来高效稳定PSCs的界面工程提供了新思路，也为分子级调控电荷传输层提供了可推广的设计策略。
文献来源
Zhang, Y., Tang, Y., Zhang, Z., et al. A π-Conjugated Molecular Bridge Strategy for Constructing Efficient Hole Transport Pathways in Inverted Perovskite Solar Cells. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202514640.
https://doi.org/10.1002/anie.202514640
