分子接触诱导效应助力宽禁带钙钛矿电池实现高效钙钛矿/TOPCon叠层器件

为解决宽禁带钙钛矿太阳能电池中空穴传输层能级不匹配导致的电荷复合问题，研究人员通过设计具有诱导效应的自组装单分子层（SAMs），系统调控分子能级与钙钛矿的匹配性。基于甲氧基修饰的PyAA-MeO SAM器件实现了22.8%的转换效率（PCE），与TOPCon硅底电池组成的叠层器件效率达31.1%（认证30.9%），为商业化应用提供了新策略。

　　

在追求更高太阳能转换效率的浪潮中，钙钛矿/硅叠层电池因其理论极限突破潜力成为研究热点。然而，宽禁带钙钛矿（WBG）作为叠层顶电池的关键组件，长期面临空穴传输层（HTL）能级失配的瓶颈——传统自组装单分子层（SAMs）多针对窄禁带钙钛矿设计，导致WBG器件存在开路电压（V_OC）损失和填充因子（FF）下降。这一困境背后，是缺乏精准调控SAMs能级以匹配WBG钙钛矿1.68 eV带隙的有效策略。

针对这一挑战，来自浙江大学硅材料国家重点实验室的研究团队创新性地提出利用分子诱导效应调控SAMs能级的方法。他们设计了一系列基于芘核结构的全共轭分子（PyAA、PyAA-Br、PyAA-Me、PyAA-MeO），通过引入溴（电子 withdrawing）、甲基和甲氧基（电子 donating）功能基团，实现SAMs能级的阶梯式精准调控。相关成果以封面文章形式发表于《Nature Communications》，展示了最高22.8%的WBG单结电池效率和31.1%的钙钛矿/TOPCon叠层效率，为界面工程提供了新范式。

研究团队采用密度泛函理论（DFT）计算分子静电势，结合紫外光电子能谱（UPS）和开尔文探针力显微镜（KPFM）表征能级排列；通过瞬态光电流（TPC）和时间分辨荧光（TRPL）分析电荷提取动力学；利用X射线衍射（XRD）和掠入射广角X射线散射（GIWAXS）验证钙钛矿结晶取向；采用铜辅助剥离技术结合UPS揭示埋底界面能级结构。

功能基团设计与钙钛矿性质影响
研究设计了四种SAMs分子，X射线光电子能谱（XPS）证实其均能稳定锚定在ITO基底上。偏振傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示分子呈垂直排列，且甲氧基修饰的PyAA-MeO在65℃老化150分钟后仍保持结构完整性。更重要的是，不同SAMs上沉积的钙钛矿薄膜具有相同的XRD峰位（14.1°对应（100）晶面）和GIWAXS图案，紫外-可见光谱（UV-vis）吸收边均位于738 nm，证实功能基团修饰不影响钙钛矿结晶质量和光学带隙。

诱导效应调控界面能级排列
高斯模拟揭示分子静电势最小值（p_min）从PyAA-Br到PyAA-MeO依次降低，分子偶极矩从2.2德拜（PyAA-Br）增至6.6德拜（PyAA-MeO）。UPS测得PyAA-MeO的费米能级（E_F）最高（-4.09 eV），价带顶（VBM）最浅（-5.09 eV），表现出最强p型特性。能带图显示PyAA-MeO与钙钛矿界面形成0.25 eV向上能带弯曲，提供最强空穴提取驱动力。TRPL显示PyAA-MeO样品具有最短的初始荧光寿命（0.38 ns），TPC测试证实其空穴提取速度最快，验证了诱导效应调控的有效性。

太阳能电池性能表现
基于Cs_0.05MA_0.15FA_0.8PbI_2.25Br_0.75钙钛矿的器件中，PyAA-MeO实现冠军效率22.8%（V_OC=1.24 V，FF=84.3%，J_SC=21.8 mA cm^-2），其光电致发光量子产率（PLQY）达5.71%，准费米能级分裂（QFLS）提升48.1 meV。与平面-绒面TOPCon硅底电池集成的叠层器件（结构：ITO/NiOx/SAM/Perovskite/C60/SnO₂/IZO）获得31.1%认证效率（V_OC=1.88 V，FF=82.6%），外量子效率（EQE）积分电流密度达19.8 mA cm^-2（钙钛矿）和19.7 mA cm^-2（硅）。

稳定性突破
未封装PyAA-MeO器件在60℃最大功率点跟踪（MPPT）400小时后保持99%初始效率，推算T₈₀达15334小时；在65℃热老化（ISOS-D-2）和持续光照（ISOS-L-1）测试中，2400小时后效率保持率超96%，显著优于对照材料2PACz（84%）。这种卓越稳定性源于芘核的化学惰性和分子垂直排列的紧密堆积。

该研究通过分子工程将物理化学中的诱导效应创新性应用于光伏领域，建立了"功能基团-电子云分布-能级排列-器件性能"的定量调控关系。PyAA-MeO SAMs同时实现能级匹配、快速电荷提取和界面钝化，解决了WBG钙钛矿中V_OC损失的核心问题。所开发的钙钛矿/TOPCon叠层工艺兼容工业化生产，30.9%的认证效率标志着向商业化迈出关键一步。这项工作不仅为SAMs设计提供了普适性策略，也为其他半导体器件的界面工程提供了新思路。