2025年12月18日苏州大学袁建宇团队于《Advanced Functional Materials》发表Homogeneously Contacted Co-Self-Assembled Monolayer Enables over 26% Inverted Perovskite Solar Cells,研究设计合成了含不同氟取代的二甲基吖啶基自组装单分子层（DCA-0F、DCA-1F、DCA-2F），将其与传统 MeO-2PACz 按最优比例混合构建共 SAMs，解决了咔唑基 SAMs 易聚集、界面覆盖不完全的关键问题，通过空间位阻调控和氟原子界面作用优化，使倒置钙钛矿太阳能电池实现 26.11% 的冠军光电转换效率，且在 1000 小时稳定测试中保持 90% 初始性能，为高效稳定 PSCs 的界面工程提供了可行路径！
背景问题：传统咔唑基 SAMs（如 MeO-2PACz）作为倒置 PSCs 的空穴传输层时，因分子结构特性易在溶液中形成胶束，导致界面覆盖不完全，引发电荷泄漏和非辐射复合增加；同时其与基底、钙钛矿层的结合作用较弱，既限制器件效率提升，又影响长期稳定性。
核心策略：DCA 分子采用扭曲共轭骨架（~90° 二面角）和轴向甲基取代，通过空间位阻抑制分子聚集；氟原子可与 FA⁺阳离子形成氢键，稳定界面并减少碘空位缺陷，且优化分子偶极矩与能级匹配。
工艺：将 DCA 系列分子与 MeO-2PACz 按 3:1 摩尔比混合，配制 1 mg/mL 乙醇溶液，旋涂于 NiOₓ修饰的 FTO 基底上，形成均匀共 SAMs 空穴传输层。
作用机制：提升 SAM 层分散性（粒径 < 10 nm）和表面覆盖度（分子堆积密度提升 42%），优化 NiOₓ/ 钙钛矿界面电子态（Ni³⁺/Ni²⁺比例提高），促进载流子提取传输，抑制非辐射复合，同时诱导钙钛矿（100）晶面择优取向，减少界面缺陷。
器件性能
结构：FTO/NiOₓ/MeO-2PACz:DCA/Cs₀.₀₅FA₀.₈₅MA₀.₁PbI₃/PCBM/BCP/Ag，钙钛矿活性层厚度约 500 nm。
效率：DCA-1F 共 SAMs 器件表现最优，冠军 PCE 26.11%，开路电压（Vₒc）1.179 V，短路电流密度（Jₛc）25.89 mA/cm²，填充因子（FF）85.49%；DCA-0F、DCA-2F 共 SAMs 器件 PCE 分别为 25.21%、25.05%，均高于纯 MeO-2PACz 对照组（24.29%）。
稳定性：30-50% 湿度环境下储存 1000 小时，DCA-1F 共 SAMs 器件保持 90% 初始 PCE；1 太阳光照下最大功率点（MPP）跟踪 1000 小时，仍维持～90% 效率，而纯 MeO-2PACz 器件 500 小时后效率衰减超 50%。
器件制备
1、基底清洗与预处理：将 FTO 玻璃基底依次用洗涤剂、去离子水、丙酮、异丙醇各超声清洗 30 分钟，经氮气吹干后，紫外臭氧处理 20 分钟。
2、NiOₓ层制备：将 NiOₓ粉末分散于去离子水中，配制 10 mg/mL 的 NiOₓ水溶液，超声 5 分钟后用 0.22 μm 聚醚砜（PES）滤膜过滤；取 60 μL 该溶液旋涂于 FTO 基底（3000 rpm，30 s），随后在 150℃下退火 10 分钟，冷却至室温后转移至氮气手套箱。
3、SAM 层沉积：配制总浓度 1 mg/mL 的乙醇溶液，其中 MeO-2PACz 与 DCA 系列分子（DCA-0F、DCA-1F、DCA-2F）的摩尔比为 3:1（最优比例）；将该溶液在氮气手套箱中旋涂于 NiOₓ层表面（1000 rpm，10 s；3000 rpm，40 s），形成共 SAMs 空穴传输层。
4、钙钛矿活性层制备：配制 1.5 M 的 Cs₀.₀₅FA₀.₈₅MA₀.₁PbI₃钙钛矿前驱体溶液，将 19.5 mg CsI、23.8 mg MAI、219.3 mg FAI 与 760.70 mg PbI₂溶解于 DMF 与 DMSO（体积比 4:1）的混合溶剂中，搅拌 4 小时；取适量前驱体溶液旋涂于 SAM 层表面（5000 rpm，50 s），旋涂过程中滴加 180 μL 氯苯（CB）作为反溶剂；旋涂结束后，立即在 100℃下退火 20 分钟，冷却至室温。
5、表面修饰：将 1 mg/mL 的 3MTPAI 异丙醇溶液（50 μL）旋涂于钙钛矿层表面（5000 rpm），随后在 100℃下退火 5 分钟。
6、电子传输层（ETL）制备：将 20 mg PC₆₁BM 溶解于 1 mL 氯苯中，旋涂于钙钛矿层表面（4000 rpm，30 s），70℃下退火 5 分钟。
7、电极沉积：在真空环境（<2×10⁻⁴ Pa）中，热蒸发沉积 BCP 层与 120 nm 厚的银（Ag）电极，完成器件封装。
图文速览
图 1 (a) DCA-0F、DCA-1F 和 DCA-2F 三种自组装单分子层（SAMs）的合成路线。(b) 1 mg/mL 的 MeO-2PACz、DCA-0F、DCA-1F 和 DCA-2F 乙醇溶液的丁达尔光散射效应。(c) 动态光散射（DLS）测定的 1 mg/mL MeO-2PACz、DCA-0F、DCA-1F 和 DCA-2F 乙醇溶液的粒径分布。(d) DCA 分子与 MeO-2PACz 在溶液状态下自聚集行为的示意图。
图 2 (a) MeO-2PACz、DCA-0F、DCA-1F 和 DCA-2F 的化学结构及分子静电势（ESP）分布。(b) MeO-2PACz 和 (c) DCA-0F 的 20 次循环伏安法（CV）曲线。(d) MeO-2PACz、DCA-0F、DCA-1F 和 DCA-2F 薄膜的吸收光谱。(e) MeO-2PACz、DCA-0F、DCA-1F 和 DCA-2F 的能级结构。(f) DCA-1F、DCA-1F/FAI 以及 DCA-2F、DCA-2F/FAI 的液态 ¹⁹F 核磁共振（NMR）谱图（溶剂：氘代二甲基亚砜，DMSO-d₆）。
图 3 (a) p-i-n 型钙钛矿太阳能电池（PSCs）的结构示意图和 (b) 对应的截面扫描电子显微镜（SEM）图像，比例尺为 500 nm。(c) 基于 MeO-2PACz、co-SAM-0F、co-SAM-1F 和 co-SAM-2F 的器件在 AM 1.5G 模拟太阳光照下的电流密度 - 电压（J-V）特性曲线及光电转换效率（PCE）分布。(d) 基于 MeO-2PACz 和 co-SAM-1F 的器件的外量子效率（EQE）及积分电流密度谱图。(e) 最优 co-SAM-1F 器件与 MeO-2PACz 器件在最大功率点处的稳定功率输出（SPO）。(f) 近期报道的基于共自组装单分子层（co-SAM）策略的高效钙钛矿太阳能电池（PSCs）性能汇总。(g) 器件在黑暗空气环境（温度≈30℃，相对湿度 30-50%）下的储存稳定性跟踪。(h) 器件在氮气（N₂）氛围中、最大功率点（MPP）条件下连续白光 LED 照射（1 太阳强度）的工作稳定性跟踪。
图 4 (a- c) 氟掺杂氧化锡（FTO）基底负载氧化镍（NiOₓ）、NiOₓ/MeO-2PACz 以及 NiOₓ/co-SAM 的开尔文探针力显微镜（KPFM）图像和原子力显微镜（AFM）高度图像。(d) NiOₓ、NiOₓ/MeO-2PACz 和 NiOₓ/co-SAM 薄膜的接触电势差（CPD）线扫描结果。(e) MeO-2PACz 与 co-SAM 在 NiOₓ基底上的表面覆盖度。(f) 未修饰、MeO-2PACz 修饰及 co-SAM 修饰的 NiOₓ薄膜的 Ni 2p₃/₂ X 射线光电子能谱（XPS）图。(g) MeO-2PACz 二聚体与 MeO-2PACz/DCA-1F（co-SAM）二聚体的空间位阻效应密度泛函理论（DFT）计算结果，以及 MeO-2PACz 溶液与 co-SAM 溶液的旋涂过程示意图。
图 5 (a) 沉积在 NiOₓ、NiOₓ/MeO-2PACz 和 NiOₓ/co-SAM 基底上的钙钛矿薄膜的掠入射广角 X 射线散射（GIWAXS）图谱。(b) NiOₓ、NiOₓ/MeO-2PACz 和 NiOₓ/co-SAM 基底上钙钛矿薄膜的底部扫描电子显微镜（SEM）图像及 (c) X 射线衍射（XRD）图谱。(d) MeO-2PACz 和 co-SAM 基底上钙钛矿薄膜的铅（Pb）4f X 射线光电子能谱（XPS）图。(e) NiOₓ、NiOₓ/MeO-2PACz 和 NiOₓ/co-SAM 基钙钛矿太阳能电池（PSCs）的电化学阻抗谱（EIS）及 (f) 莫特 - 肖特基（Mott-Schottky）曲线。(g) MeO-2PACz 基与 co-SAM 基 p-i-n 型钙钛矿太阳能电池（PSCs）的钝化作用示意图。
作者：Zhangtao Min Chenxi Guo Junjun Guo Yuxin Kong Xuewei Hao Zhijie Tang Youyong Li Wanli Ma Jianyu Yuan
原文地址：https://doi.org/10.1002/adfm.202528728
