论文概览
钙钛矿太阳能电池作为最具潜力的新一代光伏技术，虽然实验室效率已突破27%，但其商业化进程一直受限于长期稳定性问题。究其根源，钙钛矿薄膜在制备和运行过程中产生的残余应变是关键因素。这种应变源于刚性基底与柔软钙钛矿晶格之间的热膨胀系数失配，进而引发界面缺陷、非辐射复合和化学降解。
传统应变调控策略主要依赖外部插入层，但往往会阻碍电荷传输并增加工艺复杂性。针对这一挑战，本研究创新性地从分子构象工程角度出发，设计了一种具有热驱动苯环扭转功能的自组装单分子层，实现了应变动态释放与电荷传输的协同优化
苏州大学李耀文&西南交通大学黄鹏研究团队创新性地设计了一种"Torsioner SAM"的咔唑基自组装单分子层空穴传输材料。该分子的3,6-位的苯环取代基能够随温度变化发生可逆扭转，扭转角度随温度线性调节，速率达0.07°/K。这一特性使Torsioner SAM在钙钛矿沉积（约100°C）和设备工作温度范围内（25-85°C）都能有效发挥应变缓冲作用。当温度降低时，苯环逐渐恢复原始构象，释放储存的弹性势能。这种分子层面的动态调节能力使得Torsioner SAM能够持续耗散由温度波动引起的附加应力。与传统刚性界面材料不同，Torsioner SAM的柔性特征使其可以像"分子弹簧"一样，通过可逆的构象变化来缓冲热应力，从而显著降低晶格畸变的累积效应。
相应光伏器件在稳定性与效率方面实现了协同突破。在热稳定性测试中，器件在ISOS-D-2I协议下经历1000小时65℃等温老化后，仍能保持91.3%的初始效率；而在模拟昼夜温差的ISOS-T-1协议下，经过200次25-85℃热循环后效率保持率高达94.4%，展现出卓越的环境适应性。
技术亮点
1.分子设计：双苯环构象调控：在咔唑基自组装单分子层的3,6位引入苯环取代基，分子结构具备温度响应能力，可随环境变化自动调节构象
2. 双苯环构象调控：随着温度变化，苯环能够发生可逆扭转，扭转角度与温度呈线性关系，调节速率为0.07°/K。这种精确的分子运动使Torsioner SAM能够像"分子弹簧"一样，动态调节界面应力，显著降低晶格畸变的累积效应。
深度精读
图1：分子弹簧机制解析
图1揭示了Torsioner SAM通过可逆热驱动苯环扭转释放钙钛矿应变的分子机制。研究表明，苯环扭转角随温度以0.07°/K的速率线性增加，这种动态构象变化有效缓解了界面晶格失配引发的残余应变。光谱实验证实，Torsioner SAM在加热时出现可逆的荧光猝灭和拉曼峰位移，而刚性结构的Fixer SAM无明显变化。分子动力学模拟显示，苯环扭转角从300K的39.18°增至420K的48.07°，这种"分子弹簧"效应为钙钛矿电池的热稳定性突破提供了关键解决方案。。
图2：应变释放效果验证
图2通过多维度表征证实Torsioner SAM显著降低钙钛矿薄膜残余应变。X射线衍射分析显示，Torsioner修饰的薄膜残余应变仅为0.0095%，较Fixer样品降低62%。掠入射XRD的sin²ψ法量化结果表明，Torsioner将残余拉应力从13.50 MPa降至3.84 MPa。纳米力学 mapping 进一步揭示薄膜平均杨氏模量降低46.7%，证实应变有效释放。变温拉曼光谱证实Torsioner SAM能抑制热致晶格畸变，为器件稳定性提升提供机制解释。
图3：光电性能全面提升
图3系统展示了Torsioner SAM对钙钛矿器件光电性能的显著提升作用。时间分辨荧光谱显示载流子寿命从1355.9 ns延长至1904.0 ns，荧光量子产率从2.09%提升至5.83%，表明非辐射复合得到有效抑制。空间电荷限制电流测试证实陷阱密度降低43%，器件开路电压提升至1.199 V。冠军器件效率达26.26%，1 cm²大面积器件也实现24.24%的效率。电致发光量子效率从1.22%提高到6.35%，非辐射电压损失显著降低，验证了Torsioner SAM对器件综合性能的优化效果。
图4：稳定性突破
图4展示了Torsioner SAM在提升钙钛矿太阳能电池稳定性方面的卓越表现。在ISOS-D-2I标准下，器件在65°C环境中运行1000小时后仍保持91.3%的初始效率，显著优于对照组的80.3%.热循环测试（ISOS-T-1，25-85°C）显示，经过245次循环后效率保持率达94.4%。原位荧光测试表明，Torsioner修饰的薄膜在900秒加热后仍保留77.5%的初始荧光强度，而对照组仅剩38.2%。扫描电镜证实Torsioner能有效抑制界面孔洞形成，陷阱态密度分析显示其可显著抑制浅能级和深能级缺陷的产生。
文献来源
Lingying Ren, Peng Huang, Weijie Chen, Yansheng Chen, Zhijie Gao, Wenlei Lv, Yaowen Li, Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e21774.
https://doi.org/10.1002/ange.202521774
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