综述：作为有机太阳能电池空穴传输层的自组装单分子层：分子设计与器件工程进展

《Science China-Materials》：Self-assembled monolayers as hole transport layers in organic solar cells: progress in molecular design and device engineering

本综述系统阐述自组装单分子层（SAM）作为空穴传输层（HTL）在有机太阳能电池（OSC）中的突破性进展。通过对比传统PEDOT:PSS材料，重点解析SAM材料在能级调控、界面工程与稳定性方面的优势，并针对锚定基团选择、连接链长度等分子设计要素提出优化策略，为高性能大面积器件开发提供重要理论依据。

　　

自组装单分子层的技术优势

有机太阳能电池（OSC）性能提升的关键突破在于界面工程的创新。与传统聚合物材料PEDOT:PSS相比，自组装单分子层（SAM）因其独特的超薄特性（厚度通常为1-3纳米）展现出显著优势：其一，避免使用含腐蚀性磺酸基团的材料，从根本上提升器件长期稳定性；其二，通过精准的分子设计可实现电极功函数与活性层能级（HOMO/LUMO）的完美匹配，将电荷传输势垒降低至0.1电子伏特以下；其三，其分子级厚度使得光吸收损耗可忽略不计，同时将材料用量控制在微克级别，为制备柔性大面积器件奠定基础。

分子设计的三要素调控

SAM材料的性能取决于三个核心结构参数：锚定基团（如膦酸基、羧基、硫醇基）与电极表面的结合强度直接影响薄膜致密性，其中膦酸基与氧化铟锡（ITO）电极的键能可达150 kJ/mol；连接链的烷基长度（通常为C₆-C₁₈）通过空间位阻效应调节分子排列有序度，当链长超过C₁₂时可形成结晶度达90%的单层；末端功能基团（如咔唑、三苯胺）的电子给体能力决定空穴迁移率，经优化的SAM材料可使空穴提取效率提升至95%以上。

器件工程的协同优化

在沉积工艺方面，溶液法制备SAM需严格控制浓度（0.1-1.0 mM）与浸泡时间（2-24小时），通过原位表征发现，在氮气氛围下退火（100°C/10分钟）可使表面覆盖率从75%增至98%。器件结构设计需考虑能级梯度匹配，例如采用给体-受体体型异质结时，SAM的HOMO能级应处于给体材料HOMO与电极功函数之间，能级差需控制在0.3电子伏特以内。最新研究表明，将双SAM层与金属氧化物缓冲层联用，可同时实现欧姆接触与界面钝化，使OSC器件寿命突破10,000小时。

挑战与未来展望

当前SAM技术仍面临表面缺陷导致的局部电荷复合问题，特别是在溶液加工过程中易形成分子聚集体。未来研究应聚焦于：开发具有自修复功能的动态共价键SAM体系；设计含氟锚定基团以提升耐湿热性能（85°C/85%RH）；探索机器学习辅助的分子结构预测模型，最终实现光电转换效率超过20%的产业化应用。