论文概览
针对倒置钙钛矿太阳能电池（PSCs）中空穴传输层（HTL）与钙钛矿界面存在的分布不均、接触不良及能量损失等问题，重庆大学孙宽、蒋廷猛团队联合多家科研单位，创新性地设计并应用了一种名为4-溴苄基膦酸（4Br-BPA）的小分子桥接层，成功实现了界面多功能协同优化。该研究通过将4Br-BPA分子嵌入Me-4PACz SAM层与钙钛矿之间，实现了界面钝化、能级对齐、结晶促进与应力释放等多重效应。实验表明，4Br-BPA不仅能填补SAM层空隙、增强NiOₓ表面态，还能通过π–π堆叠作用优化电荷传输路径，显著提升空穴迁移率与界面稳定性。最终，基于4Br-BPA的倒置PSCs实现了26.59%的最高光电转换效率（认证效率26.12%），并在连续光照1400小时后仍保持90%的初始效率，展现出卓越的操作稳定性。该研究以"Multifunctional Buried Molecule-Bridge for High-Performance Inverted Perovskite Solar Cells"为题发表于Advanced Materials。
技术亮点
多功能分子桥设计：4Br-BPA凭借其小分子尺寸与双功能基团（溴苯与膦酸），同时实现物理填充与化学钝化，显著提升界面完整性。
π–π堆叠增强电荷传输：4Br-BPA与Me-4PACz形成强π–π相互作用，减少界面电荷积累，优化能级对齐，提升空穴提取效率。
结晶模板与应变释放：4Br-BPA层促进钙钛矿晶粒长大（平均尺寸从550 nm增至900 nm），并显著降低薄膜残余应力（从15.69 MPa降至1.50 MPa）。
协同钝化与稳定性提升：4Br-BPA与钙钛组分形成氢键与配位作用，有效钝化界面缺陷，器件在湿热环境下表现出色稳定性。
研究意义
✅ 突破效率瓶颈：实现26.59%的高效率，为倒置PSCs的性能提升提供新路径。✅ 提出分子桥接新策略：为SAM/钙钛矿界面工程提供多功能分子设计范式。✅ 兼顾性能与稳定性：在提升效率的同时显著增强器件长期运行可靠性。✅ 推动产业化应用：溶液法制备兼容性强，具备规模化应用潜力。
深度精度
图1：4Br-BPA分子结构及其界面调控机制
该图系统展示了4-溴苄基膦酸（4Br-BPA）分子的化学结构及其在钙钛矿太阳能电池中的多功能界面调控作用。通过DFT计算证实4Br-BPA与钙钛矿的吸附能高达-3.74 eV（图1b），而¹H NMR谱（图1c）中FAI与4Br-BPA混合后特征峰位移（7.88→8.67 ppm）揭示了氢键相互作用。XPS分析（图1d）显示4Br-BPA处理使Pb 4f结合能降低0.34 eV，表明其通过电子转移有效钝化铅空位。UV-Vis光谱（图1e）中360 nm处π-π*跃迁峰的红移证实了4Br-BPA与Me-4PACz的π-π堆叠，而C 1s XPS（图1f）中288-294 eV区间的信号增强进一步验证了这种相互作用。P 2p XPS（图1g）的双峰分解表明4Br-BPA优先锚定在NiOx表面，其分子密度达4.77×10¹³ cm⁻²（图1h），比对照组提升21%，显著改善了界面覆盖率和电荷传输效率。
图2：界面电荷传输与能级调控
该图通过多尺度表征揭示了4Br-BPA对电荷传输动力学和能级排列的优化作用。导电原子力显微镜（图2g-h）测得界面电流从74.56 pA增至91.87 pA，与电导率提升33%（1.08×10⁻⁵ S cm⁻¹）的结果一致。UPS分析（图2i）表明4Br-BPA使NiOx/Me-4PACz价带从-5.28 eV下移至-5.47 eV，与钙钛矿价带（-5.45 eV）形成完美匹配。差分电荷密度分析（图2j-k）显示4Br-BPA处理显著降低了界面电荷积累，而Ni 2p XPS（图2l）中Ni³⁺/Ni²⁺比例从0.87增至1.03，证实了空穴传输能力的增强。
图3：钙钛矿结晶与缺陷调控
该图全面解析了4Br-BPA对钙钛矿薄膜结晶质量和缺陷态的影响机制。掠入射XRD（图3d-f）证实4Br-BPA使钙钛矿残余应力从15.69 MPa降至-1.50 MPa。稳态/瞬态PL（图3g-h）显示载流子寿命从6.13 μs延长至8.08 μs，PL mapping（图3i）强度均匀性提升。空间电荷限制电流测试（图3j）测得陷阱密度降低14%（2.79×10¹⁵ cm⁻³），瞬态吸收光谱（图3l-n）显示载流子复合寿命从944.97 ps缩短至806.06 ps，证实了缺陷钝化和电荷提取效率的同步提升。
图4：器件性能与稳定性验证
该图展示了4Br-BPA界面工程对器件光伏性能和稳定性的全面提升。电化学阻抗谱（图4f）显示复合电阻增大，而光强依赖Voc测试（图4g）证实理想因子从1.73降至1.31 kBT/q。瞬态光电压衰减（图4h）显示载流子寿命延长至8.69 μs，稳态输出（图4e）在400秒内保持26.22%效率。加速老化测试（图4i-j）显示器件在1400小时连续光照后保持90%初始效率，在30%湿度环境中1200小时稳定性较对照组提升29%，充分验证了4Br-BPA分子桥的多功能界面稳定作用。
结论展望
本研究通过引入4Br-BPA分子桥接层，成功实现了倒置钙钛矿太阳能电池界面的多功能协同优化，最终获得26.59%的高效率与卓越的长期稳定性。该工作不仅为SAM/钙钛矿界面工程提供了新材料与新策略，也为未来高性能、高稳定性钙钛矿电池的设计与产业化提供了重要理论与实践基础。随着分子界面工程的进一步发展与工艺优化，倒置PSCs有望在效率、稳定性与成本之间找到最佳平衡，推动钙钛矿光伏技术向商业化迈出坚实一步。
文献来源
Gao, M., Ou, Z., Wang, C. et al. Multifunctional Buried Molecule-Bridge for High-Performance Inverted Perovskite Solar Cells. Adv. Mater. 2025, e14273.https://doi.org/10.1002/adma.202514273
