论文概览
倒置结构钙钛矿太阳能电池（p-i-n PSCs）因其高效率、大面积制备兼容性和优异的串联集成能力而备受关注。目前，自组装单分子层作为空穴传输材料在提升电池效率方面展现出巨大潜力，然而SAMs在基底上的不均匀覆盖和弱界面粘附力，特别是在极性溶剂加工过程中的解吸问题，严重制约了其进一步发展。基于此，南方科技大学徐保民/王行柱&湘潭大学闫磊研究团队巧妙地在SAM分子中引入烯丙基作为交联位点，开发出4-(5,9-二烯丙基-7H-二苯并[c,g]咔唑-7-基)丁基膦酸（4PADCB-V），该材料在在365 nm紫外光照和热激活（100°C）条件下可快速发生聚合反应，形成稳定的交联结构。，显著提升了SAM层的处理稳定性和界面质量。基于该材料的器件实现了26.46%的冠军效率，并具备优异的长期稳定性。
技术亮点
1.原位交联机制：通过紫外照射触发C=C双键断裂产生自由基，实现分子间交联；
2. 溶剂稳定性提升：交联后的SAM膜在极性溶剂中保持结构完整性；
3. 能级调控优化：交联过程增强分子偶极矩，深化基底功函数；
研究意义
1. 解决了SAM在极性溶剂中脱附的根本问题，提升了器件制备的重复性和稳定性；
2. 在不牺牲能级结构的前提下增强分子间作用力，兼顾了电荷传输与界面稳定性；
3. 为SAM材料的设计提供了新思路：通过原位聚合实现“小分子→聚合物”的转变，兼具制备简便与性能优越；
深度精读
图1：原位交联机制与界面特性分析
图1系统阐释了4PADCB-V的原位交联机制与界面特性。示意图（1a）显示其在UV/热协同作用下通过烯丙基位点形成稳定交联网络。红外光谱（1b）中C=C峰（1637 cm⁻¹）减弱证实交联反应发生。溶剂稳定性测试（1d）表明交联薄膜（crs-4PADCB-V）在甲醇清洗后仍保留84.3%吸光度（交联度76%），展现出优异抗溶剂侵蚀性。DFT计算（1e-g）显示其在钙钛矿（001）面的吸附能达-4.45 eV，显著高于未交联样品，这种强界面结合力为提升器件稳定性奠定基础。
图2：交联SAM膜的溶剂稳定性与界面特性分析
图2通过系统的实验表征揭示了交联SAM膜在极性溶剂环境下的稳定性优势。研究团队采用DMF:DMSO混合溶剂静态旋涂法模拟钙钛矿沉积过程，发现传统4PADCB和4PADCB-V薄膜在溶剂处理后接触角显著减小，而crs-4PADCB-V薄膜则保持稳定的疏水性能。开尔文探针力显微镜测试显示，crs-4PADCB-V修饰的基底在溶剂处理后接触电位差变化最小（ΔCPD = 60.93 mV），远低于4PADCB（246.33 mV）和4PADCB-V（157.85 mV），证明其具有最优异的抗溶剂解吸能力。这种稳定性源于交联结构形成的共价互连网络，能有效抑制极性溶剂环境下分子的无序解吸过程，为制备高质量钙钛矿薄膜提供了可靠的界面基础。
图3：交联SAM对钙钛矿薄膜质量与光电性能的提升
图3系统研究了交联SAM层对钙钛矿薄膜质量及光电性能的优化作用。稳态光致发光谱（图3a）显示，沉积在crs-4PADCB-V上的钙钛矿薄膜具有最强的PL强度，表明其界面非辐射复合得到有效抑制。时间分辨光致发光测试（图3b）进一步证实，crs-4PADCB-V样品的载流子寿命延长至2.86μs，显著优于其他样品。飞秒瞬态吸收光谱（图3c）中GSB峰的衰减动力学表明，crs-4PADCB-V样品具有最慢的衰减速率，印证了其优异的载流子传输特性。扫描电镜图像（图3d-f）显示，基于crs-4PADCB-V的钙钛矿薄膜获得了最大的平均晶粒尺寸（850 nm），有效降低了晶界密度。空间分辨PL mapping（图3g-i）进一步证实，crs-4PADCB-V样品不仅具有最高的平均PL强度，还展现出最优的空间均匀性，为器件的高性能输出奠定了坚实基础。图4：交联SAM基钙钛矿太阳能电池性能与稳定性突破
图4展示了基于交联SAM（crs-4PADCB-V）的钙钛矿太阳能电池的卓越性能。
器件采用倒置结构（图4a），截面SEM图像（图4b）显示各功能层均匀堆叠。电学测试表明，冠军器件效率达26.46%（认证25.96%），Voc=1.194 V，FF=86.29%（图4c）。统计分析显示20个器件平均效率25.86%，分布集中（图4d）。EQE谱图（图4e）积分电流密度25.12 mA cm⁻²，MPP跟踪下稳定输出26.12%（图4f）。器件物理分析揭示性能提升机制：光强依赖特性显示最低理想因子（1.46，图4g），表明缺陷复合被抑制；阻抗谱显示最大复合电阻（3642 Ω，图4i），证实界面复合减少。连续MPP跟踪1000小时后（图4k），器件保持91%初始效率，展现卓越运行稳定性。
文献来源
L. Wang, Z. Liu, J. Zou, S. Peng, D. Wang, P. Zhu, Z. Lei, X. Lei, W. Yang, F. Su, Y. Bao, W. Peng, S. He, J. Zeng, Z. Song, X. Wang, L. Yan, B. Xu, Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e17058.
https://doi.org/10.1002/anie.202517058
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