论文概览
贵州大学吕梦岚与孙艳明团队开发了两种基于噻吩扩展咔唑的自组装单分子层（SAM）材料——2PAThCz与4PAThCz，作为高效空穴传输层（HTL）应用于有机太阳能电池（OSCs）。该研究通过在咔唑的3,6位引入非稠合噻吩单元，显著增强了分子的π-π堆积有序性和偶极矩，同时通过调节烷基链长度（乙基 vs 丁基）有效抑制了过度自聚集问题。其中，4PAThCz凭借其更长的间隔基团，展现出优异的溶解性、分子有序性和界面覆盖能力，最终在D18:L8-BO:BTP-eC9三元体系中实现了20.78%（认证效率20.45%）的光电转换效率，创造了基于咔唑衍生物SAM材料的OSCs效率新纪录。该成果以“Thiophene Expanded Self‐Assembled Monolayer as Hole Transport Layer for Organic Solar Cells with Efficiency of 20.78%”为题发表于Advanced Materials。
技术亮点
1.噻吩扩展策略提升分子性能：在咔唑3,6位引入噻吩单元，显著增强分子偶极矩（从1.9 D提升至3.2–3.4 D），促进更紧密的π-π堆积（3.30 Å），提升空穴传输能力。
2.间隔基团长度调控溶解性与有序性：4PAThCz凭借更长烷基链实现优异溶解性，抑制自聚集，形成高度有序的SAM结构，增强界面覆盖与缺陷钝化。
3.能级匹配与界面优化：SAMs的HOMO能级（-5.32至-5.36 eV）与给体材料D18良好匹配，促进空穴提取并阻挡电子反向传输，提升器件开路电压与填充因子。
4.高效三元器件的实现：4PAThCz作为HTL在D18:L8-BO:BTP-eC9三元器件中实现20.78%的效率，FF高达81.5%，Jsc达28.65 mA/cm²，兼具优异的光稳定性和长期储存稳定性。
研究意义
✅效率突破：首次将基于SAM-HTL的OSCs效率推至20%以上，为后续更高效率器件设计提供材料基础。
✅分子设计范式：提出“噻吩扩展+烷基链调控”双策略，平衡了偶极矩与溶解性之间的矛盾，为SAM材料设计提供新思路。
✅产业化潜力：SAM材料具备超薄、低损耗、易加工等优势，适合大面积卷对卷制备，推动OSCs向商业化应用迈进。
深度精读
图1：分子结构与电子特性对比分析
该图展示了2PACz、2PATHCz和4PATHCz的分子结构、静电势分布（ESP）、偶极矩和最高占据分子轨道（HOMO）分布。通过DFT计算，研究发现引入噻吩基团后，2PATHCz和4PATHCz的偶极矩显著增加（3.4 D和3.2 D），远高于2PACz的1.9 D。此外，噻吩修饰增强了电子离域效应，使HOMO能级降低（2PATHCz为-5.22 eV，4PATHCz为-5.18 eV），有利于空穴传输。
图2：表面化学与分子取向表征
该图通过XPS、SFG和接触角测试研究了SAMs在ITO表面的化学状态和分子排列。XPS显示4PATHCz修饰的ITO中In 3d峰位移最大（452.0/444.3 eV），表明其与基底相互作用最强。SFG光谱显示4PATHCz薄膜在1302、1398和1433 cm⁻¹处有明显的振动峰，证实其高度有序的分子堆积。接触角测试表明4PATHCz具有最佳疏水性，同时保持对有机溶剂的良好润湿性。
图3：分子堆积模式与相互作用机制
通过单晶分析和理论计算揭示了SAMs的堆积行为。2PACz呈现高对称性平行堆积（π-π距离2.95 Å），而4PATHCz因噻吩扭曲（二面角17.4°）形成更紧密的斜向堆积（π-π距离2.72 Å）。IRI分析显示4PATHCz分子间存在强范德华作用和适度位阻，这种平衡作用使其既能保持溶解性又具备有序组装能力。
图4：器件性能与稳定性全面评估
该图系统比较了不同SAMs基有机太阳能电池的性能。4PATHCz基三元器件（D18:L8-BO:BTP-eC9）效率达20.78%（认证20.45%），创下咔唑类HTL的纪录，其FF高达81.5%。TPV测试显示4PATHCz器件载流子寿命最长（19.2 μs），陷阱密度最低（1.57×10²² m⁻³）。封装器件在MPP跟踪1500小时后仍保持80%初始效率，展现卓越运行稳定性。
结论展望
该团队通过理性分子设计，成功开发出两种噻吩扩展型SAM材料2PAThCz与4PAThCz，其中4PAThCz凭借其优异的溶解性、高有序性和强界面作用，在三元有机太阳能电池中实现了20.78%的效率突破。该工作不仅展示了SAM作为超薄空穴传输层的巨大潜力，也为未来高性能、高稳定性OSCs的界面材料设计提供了重要借鉴。下一步可进一步拓展该策略至其他π扩展单元或锚定基团，推动SAM材料在柔性、大面积器件中的应用。
文献来源
Y. Xie, J. Tian, X. Yang, J. Chen, S. Yu, D. Tang, X. Hu, Y. Sun, M. Lv, “Thiophene Expanded Self‐Assembled Monolayer as Hole Transport Layer for Organic Solar Cells with Efficiency of 20.78%”,Adv. Mater.2025, e02485.
DOI:10.1002/adma.202502485.
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