论文概览
针对倒置结构钙钛矿太阳能电池中钙钛矿/自组装单分子层异质界面机械稳定性差、制约器件长期可靠性的关键瓶颈，青岛科技大学与中国科学院青岛生物能源与过程研究所联合团队创新性地基于软硬酸碱理论，设计并筛选出一系列硫醇（-SH）基交联剂，用于强化界面化学键合并提升稳定性。研究发现，多硫醇交联剂三羟甲基丙烷三(3-巯基丙酸酯)（TMP）不仅能通过-SH与NiO_x基底形成化学键，还能在界面保留部分未结合的-SH，为钙钛矿的生长与键合创造有利环境。该策略使异质界面的断裂载荷提升1.8倍，并有效抑制了界面光热诱导降解。基于TMP处理的器件实现了26.16%的功率转换效率（第三方认证效率25.11%）。在持续最大功率点跟踪1200小时后，器件仍能保持97%的初始效率；在85°C高温老化1600小时后，仍能保持90%的初始效率。该研究以“Strengthened Perovskite/SAM Heterointerface for Stable Perovskite Solar Cells”为题发表于化学领域顶级期刊Journal of the American Chemical Society。
技术亮点
理论指导的界面分子设计：基于软硬酸碱理论，选取软碱-SH基团，旨在与软酸Pb²⁺、Ni²⁺形成强健的配位键，从根本上强化界面结合。
多功能多硫醇交联剂：TMP分子兼具与基底键合、界面润湿性调控及为钙钛矿提供结合位点的三重功能，实现界面“填充-键合-稳定”一体化。
机械与化学稳定性协同提升：TMP处理使界面断裂载荷大幅提升，并显著抑制了光热应力下的离子迁移、相分离及孔洞形成。
超常工况稳定性：器件在连续光照运行及高温储存下均表现出卓越的稳定性，为满足商业化寿命要求提供了强有力的界面解决方案。
深度精度
Figure 1系统展示了三种硫醇交联剂（MP、TMP、HMP）的化学结构及其对界面性能的多维度影响。从化学结构来看，MP为单硫醇分子，TMP和HMP分别具有三个和六个硫醇基团，这种多官能团设计为界面交联提供了更多可能；力学测试显示TMP处理的样品断裂载荷从对照组的116.8 N显著提升至205.5 N，而HMP更是达到246.4 N，证明多硫醇分子能有效增强界面结合强度。XPS分析揭示TMP和HMP样品在169 eV（键合硫）和164 eV（游离硫）处出现双峰，表明多硫醇分子既能与NiOx基底形成化学键又保留游离-SH基团用于钙钛矿配位。接触角测试显示TMP处理使界面亲水性大幅改善（从104.3°降至60.1%），SEM图像证实这种润湿性提升能有效减少钙钛矿埋底界面的纳米级孔洞，为高质量晶体生长奠定基础。
Figure 2通过系列老化实验揭示了TMP策略对界面稳定性的显著提升作用。加速老化实验显示对照组样品在50小时光照后玻璃侧出现明显变色，而TMP处理样品保持初始状态；吸收光谱数据表明TMP样品在650 nm处的吸光度衰减更缓慢，证明其能有效抑制光诱导降解。截面SEM显示老化后对照组埋底界面发生严重分解与结构损伤，而TMP样品仅产生少量小尺寸孔洞；高倍SEM统计发现TMP使孔洞面积减少约90%，界面断裂载荷损失率从对照组的40%降至10%以内。XRD和XPS分析进一步证实TMP能抑制PbI2和金属铅簇的形成，其稳定化机制包含双重作用：既通过填充SAM层空隙阻断钙钛矿与NiOx直接接触引发的分解反应，又通过强配位作用稳定铅卤化物界面结构。
Figure 3 从光电性能与晶体质量角度阐释了TMP处理的优化机制。PL mapping显示当激光从薄膜顶部激发时TMP样品荧光强度降低，表明空穴提取效率提升；而从底部激发时荧光强度增强，说明埋底界面非辐射复合被抑制。UPS能级分析发现TMP使价带顶从-5.56 eV移至-5.64 eV，减小了HTL与钙钛矿的能级偏移；PLQY测试表明TMP将量子效率从1.94%提升至3.11%，对应的准费米能级分裂值增加且VOC非辐射损失从102.02 mV降至89.40 mV。晶体学表征显示TMP处理使钙钛矿晶粒尺寸从530 nm增大至720 nm，XRD半高宽减小证实结晶度提升；GIXRD应力分析更发现界面残余应力从拉伸应力（15.70 MPa）转变为微弱压应力（-2.40 MPa），这种应力调控有效提升了界面稳定性。
Figure 4 最终将界面优化效果转化为卓越的器件性能与稳定性。冠军TMP器件效率达26.16%（认证效率25.11%），较对照组（24.40%）实现全面提升，其中VOC从1.15 V增至1.20 V，FF从84.30%优化至86.17%。统计箱线图显示TMP器件参数集中度高，证明工艺重现性良好；EQE光谱积分电流与J-V测试值高度吻合。稳定性测试展现突破性成果：在85°C高温老化1600小时后TMP器件仍保持90%初始效率，而对照组仅维持260小时；连续MPP跟踪1200小时后TMP器件效率损失仅3%，远超对照组（15%效率衰减）。这种稳定性飞跃源于TMP构建的"Ni-TMP-Pb"分子桥机制，通过强配位键合与界面应力调控，实现了效率与稳定性的协同提升。
结论展望
本研究成功地将软硬酸碱理论应用于钙钛矿电池界面工程，通过理性设计多硫醇交联剂TMP，在NiO_x/SAM与钙钛矿之间构建了强健的化学“分子桥”，实现了异质界面机械强度、光电性能与长期稳定性的协同飞跃。TMP策略不仅解决了SAM覆盖不全导致的界面孔洞问题，其保留的游离-SH更为钙钛矿提供了理想的成键环境，从而同步优化了结晶质量、能级对齐和缺陷态密度。所实现的26.16%的高效率与1200小时运行97%保持率、1600小时高温90%保持率的卓越稳定性，标志着钙钛矿太阳能电池在面向商业化应用的道路上迈出了关键一步。这项工作为通过理性分子设计实现高效、稳定、可靠的钙钛矿光伏器件提供了普适性的界面强化新范式。
文献来源
Peng, C., Sun, X., Zhang, B., Meng, H., Wang, K., Li, Z., Zhu, M., Zhang, X., Wang, G., Zhou, Z., & Pang, S. (2025). Strengthened Perovskite/SAM Heterointerface for Stable Perovskite Solar Cells. Journal of the American Chemical Society.
https://doi.org/10.1021/jacs.5c20051
