论文概览
针对柔性钙钛矿/Cu(In,Ga)Se₂（CIGS）叠层太阳电池中空穴传输层分子聚集导致的界面不均匀、效率损失与机械稳定性差等关键挑战，西湖大学联合多家科研机构创新性提出空间位阻分子设计策略，将平面型咔唑分子重构为三维π共轭骨架。该设计通过立体屏障效应抑制分子间π-π堆积，实现均匀化的选择性接触界面与高质量钙钛矿薄膜。基于该策略，柔性单片钙钛矿/CIGS叠层器件在0.091 cm²面积上实现了26.2%的稳态转换效率（认证效率25.5%），在厘米级面积（1.01 cm²）上实现了25.3%的稳态效率（认证效率24.3%），均为目前柔性两端叠层太阳电池的最高认证效率之一。器件同时展现出卓越的机械稳定性，在10 mm弯曲半径下经历10,000次弯曲循环后仍保持初始性能。该研究以"Homogenizing hole-selective contacts for centimeter-square flexible perovskite/Cu(In,Ga)Se₂ tandems"为题发表于Science Advances。
技术亮点
三维分子骨架设计：通过螺环吖啶-芴垂直结构构建空间位阻，将分子间π-π堆叠距离从3.5 Å增至4.2 Å，有效抑制聚集。
均匀化空穴传输界面：分子动力学模拟显示Me-SAF分子分布标准差更低，薄膜粗糙度从4.74 nm降至3.06 nm，表面电势波动从35 mV降至均匀分布。
埋底界面质量提升：钙钛矿埋底界面纳米空洞显著减少，实现外延式柱状晶粒生长，光致发光寿命延长，缺陷态密度降低。
柔性兼容性与稳定性：在粗糙柔性CIGS基底上仍保持优异界面均匀性，未封装器件在空气中连续运行230小时效率保持97%，万次弯曲后性能无损。
研究意义
✅ 突破柔性界面瓶颈：三维分子设计解决柔性基底上空穴传输层聚集导致的界面不均匀问题。
✅ 实现高效厘米级柔性叠层器件：厘米级面积认证效率达24.3%，推动柔性光伏走向实用化。
✅ 兼具高效率与高机械稳定性：万次弯曲循环后性能不衰减，满足可穿戴、航空航天等柔性应用需求。
✅ 建立分子设计新范式：为柔性光电器件界面工程提供普适性分子设计原则。
深度精度
图1通过分子动力学模拟和理论计算揭示了空间位阻对分子聚集的抑制机制，对比平面结构的Me-4PACz与三维骨架结构的Me-SAF在NiOx基底上的分布差异，显示后者通过增加π-π堆叠距离（从3.5Å增至4.2Å）显著降低分子聚集倾向，紫外-可见吸收光谱进一步证实Me-SAF在溶液与薄膜状态下几乎无红移，印证其聚集抑制能力。
图2通过原子力显微镜和开尔文探针力显微镜直观展示了三维π共轭骨架对空穴选择性接触层均质化的提升效果，Me-SAF修饰的基底表面粗糙度（RMS=3.06 nm）显著低于Me-4PACz（RMS=4.74 nm），接触角测试表明其亲水性增强（76° vs 93°），为钙钛矿前驱体溶液的均匀铺展奠定基础。
图3系统比较了基于不同空穴传输层的宽禁带钙钛矿薄膜质量与器件性能，埋底界面KPFM映射显示Me-SAF修饰的基底表面电势分布更均匀，光致发光映射证实其载流子寿命延长，最终使反式钙钛矿太阳能电池效率提升至23.2%，填充因子达83.7%，热导纳谱分析进一步揭示其陷阱态密度显著降低。
图4展示了柔性钙钛矿/CIGS叠层器件的整体结构与性能突破，截面SEM证明Me-SAF在粗糙CIGS基底上仍能形成连续界面，J-V曲线显示冠军器件效率达26.3%（认证25.7%），厘米级器件效率为25.3%（认证24.3%），机械弯曲测试表明在10mm半径下经历万次循环后性能无损，凸显其产业化应用潜力。
结论展望
本研究通过三维π共轭骨架分子设计，成功抑制空穴传输层分子聚集，实现均匀化界面与高质量钙钛矿薄膜，推动柔性钙钛矿/CIGS叠层电池在效率、稳定性与机械性能方面同步突破。该策略不仅为解决柔性光电器件界面不均匀难题提供了新方案，也为未来可穿戴能源、航空航天等高端柔性光伏应用奠定了材料与工艺基础。随着分子工程的进一步优化与大面积制备工艺的成熟，柔性叠层光伏技术有望在效率与可靠性双维度实现商业化突破。
文献来源
Zhou et al., Homogenizing hole-selective contacts for centimeter-square flexible perovskite/Cu(In,Ga)Se₂ tandems. Sci. Adv. 11, eadz2781 (2025).https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz2781
仅用于学术分享，如有侵权，请联系删除。
