论文概览
面向织构化钙钛矿/硅叠层太阳能电池中自组装分子（SAM）在粗糙表面覆盖不均、电荷提取效率受限的关键挑战，德国慕尼黑大学、南方科技大学、香港城市大学等多国联合团队创新性提出溴功能化共轭连接体自组装分子设计策略。该研究通过精准调控SAM分子结构，引入溴原子增强界面钝化，并采用共轭芳香连接体促进分子紧密堆积，从而在工业级CZ硅片上实现了高效稳定的钙钛矿/硅叠层电池。研究团队首先发现商用SAM材料4PADCB中的微量溴杂质意外提升了器件性能，进而设计合成了溴取代类似物Bz-PhpPABrCz，并与非溴化分子Bz-PhpPACz形成二元混合SAM体系。该混合SAM在织构硅表面展现出优异的覆盖均匀性、增强的电荷提取能力和显著的界面缺陷钝化效果。基于此，研究团队在织构化CZ硅底电池上制备的钙钛矿/硅叠层太阳能电池实现了31.4%的认证效率，并展现了卓越的运行稳定性。该研究以"Enhanced charge extraction in textured perovskite-silicon tandem solar cells via molecular contact functionalization"为题发表在能源领域顶级期刊《Joule》上。
技术亮点
溴功能化SAM设计：设计合成了溴取代的二苯并咔唑基SAM分子（Bz-PhpPABrCz），溴原子通过钝化界面缺陷、调节能级对齐，显著提升电荷提取效率。
共轭连接体促进紧密堆积：采用苯基共轭连接体替代传统烷基链，增强了分子间π-π堆积作用，在粗糙织构表面形成更致密、更稳定的SAM层。
混合SAM优化策略：将溴化与非溴化SAM以8:1比例混合（Mix SAM），在保留溴钝化优势的同时，优化了分子排列与覆盖均匀性，实现了性能协同提升。
机制深度解析：结合瞬态表面光电压（Tr-SPV）、GIWAXS、DFT计算等多尺度表征，系统揭示了溴原子与共轭连接体在降低界面复合、释放钙钛矿晶格应变、促进电荷分离中的关键作用。
研究意义
✅ 攻克织构界面难题：为解决SAM在粗糙硅表面覆盖不均这一长期挑战提供了分子设计新思路。
✅ 效率与稳定性同步提升：在工业级CZ硅片上实现31.4%的高效率，且器件在光照与热应力下展现优异稳定性。
✅ 揭示杂质的重要作用：意外发现商用SAM中微量溴杂质对性能的积极影响，强调了材料纯度控制与杂质工程的重要性。
✅ 提供普适性界面设计原则：溴功能化与共轭连接体的协同策略为钙钛矿及其他光电器件的界面工程提供了通用指导。
深度解析
图1：溴杂质在二苯并咔唑基SAM中的关键作用
通过核磁共振谱图和单晶结构分析揭示了商用4PADCB中意外存在的溴化杂质4PABrDCB，其晶体结构显示溴原子与C10碳形成共价键，而优化的二元混合SAM策略（Bz-PhpPACz与Bz-PhpPABrCz按8:1体积比混合）在粗糙的FTO基底上实现了更高的填充因子，表明溴取代通过强电负性调节分子偶极矩并改善能级对齐，从而在织构化表面增强电荷提取能力。
图2：分子接触在TCO/织构硅上的界面特性
该组图表通过XPS覆盖度测试和DFT计算揭示了混合SAM在织构硅基底上的优越性能，其分子覆盖因子达到0.0222且功函数偏移最大（0.42 eV），而电荷密度差分分析显示溴化分子与钙钛矿界面存在更强的电子相互作用，同时分子动力学模拟表明混合SAM在ITO表面呈现更均匀的分布模式，这种致密分子堆叠归因于共轭连接基团促进的π-π堆叠效应和溴原子提供的界面钝化协同作用。
图3：SAM接触对钙钛矿结晶的影响
GIWAXS图谱显示混合SAM诱导的钙钛矿（001）晶面在50°方位角出现优先取向，威廉森-霍尔分析法计算显示混合SAM样品的微应变值最低（0.75），反射率成像和PL mapping进一步证实其薄膜皱褶减少且发光均匀性提升，而准费米能级分裂测试测得△μ=1.32 eV的最高值，这些证据共同表明溴功能化SAM通过卤素-卤素键形成释放晶格应力，同步提升钙钛矿薄膜的结晶质量和载流子寿命。
图4：界面电荷转移动力学分析
瞬态表面光电压测试在1.1 eV（硅体相激发）、1.5 eV（硅前表面激发）和1.8 eV（钙钛矿激发）三种能量下揭示混合SAM的独特优势，其在1.8 eV激发下呈现20 mV的负向“凸起”响应，对应钙钛矿层中光生空穴在ITO/SAM界面的高效分离，而静电势表面计算表明共轭连接基团使分子电荷分布更均匀，这种特性显著降低界面能垒并抑制电子陷阱效应，最终使混合SAM样品在长时域获得110 mV的最高SPV信号。
图5：太阳能电池器件性能表征
基于CZ硅底电池的叠层器件结构显示混合SAM使器件效率提升至31.4%，J-V曲线表明其填充因子比纯Bz-PhpPACz提高10%且滞后效应可忽略，EQE谱证明子电池间电流失配仅0.13 mA/cm²，而最大功率点跟踪测试在45°C/65°C条件下分别保持97%/91%的初始效率，这种稳定性提升源于共轭SAM分子在织构表面的致密堆叠及其对钙钛矿-电极界面直接接触的有效阻隔。
结论展望
本研究通过溴功能化与共轭连接体的协同分子设计，成功攻克了SAM在织构化钙钛矿/硅叠层电池界面应用中的覆盖与电荷提取难题，在工业级CZ硅片上实现了超过31%的高效率与卓越稳定性。这一工作不仅为高效稳定叠层电池的界面工程提供了清晰的分子设计蓝图，也揭示了商业材料中无意杂质可能对器件性能产生决定性影响，强调了材料精准合成与表征的重要性。未来，该策略有望进一步推广至其他钙钛矿基光电器件，推动其产业化进程。
文献来源
Huang, J., Zhang, L., Yilmaz, C. et al. Enhanced charge extraction in textured perovskite-silicon tandem solar cells via molecular contact functionalization. Joule 10, 102227 (2026).
https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102227
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