基于咔唑和三氮杂蒽分子的宽禁带p-i-n钙钛矿太阳能电池和谐层设计研究

这篇研究创新性地设计了由3PATAT-C3和Me-4PACz两种自组装单分子层（SAM）构成的和谐层，通过π-π堆叠和强界面锚定作用，显著提升了宽禁带钙钛矿太阳能电池（PSC）的电荷提取效率（FF达84.1%）和稳定性（2000小时后保持91%性能）。研究揭示了接触角与器件效率的关联机制，为SAM优化提供了新范式。

　　

1 引言

近年来钙钛矿太阳能电池（PSC）效率已突破26%，其中p-i-n结构因新型电荷传输层的开发而超越传统n-i-p结构。研究聚焦宽禁带（1.68 eV）PSC中自组装单分子层（SAM）的界面设计挑战：混合SAM的形貌控制与性能关联尚不明确。NiO_x空穴传输层（HTL）虽实现25.58%效率，但SAM的分子取向和覆盖率直接影响钙钛矿结晶质量。

2 结果与讨论

2.1 接触角表征与界面设计

通过接触角分析将SAM行为分为三个区域：低浓度（I区）覆盖不足，中浓度（II区）形成最优单层，高浓度（III区）出现锚定基团暴露。和谐层（0.3 mM 3PATAT-C3 + 1 mM Me-4PACz）接触角介于两者之间，证实分子共存。π-π堆叠使Me-4PACz亲水端朝向钙钛矿，改善润湿性（图1）。

2.2 高密度和谐层特性

CV测试显示和谐层分子密度达3.61×10¹³ cm^?2，超越单一SAM。XPS证实NiO_x与SAM的强配位作用（Ni 2p结合能位移至856.0 eV），O 1s谱中Ni₂O₃/NiO比例提升至4.28，表明缺陷钝化增强（图2）。UPS显示和谐层功函数达5.15 eV，形成利于空穴提取的能级梯度。

2.3 钙钛矿埋底界面调控

SEM显示Me-4PACz因疏水性产生孔洞，而和谐层获得均匀晶粒。GIXRD分析发现和谐层使钙钛矿（012）晶面间距减小，残余应力显著降低（图3）。剥离实验的C 1s谱在292 eV处出现π-π堆叠特征峰，证实分子间轨道重叠。

2.4 载流子动力学

PL测试中和谐层平均寿命（72.5 ns）介于Me-4PACz（147.6 ns）和3PATAT-C3（30.3 ns）之间，平衡了非辐射复合抑制与电荷提取。SCLC测得陷阱密度仅1.44×10¹⁵ cm^?3（图4）。

2.5 器件性能

和谐层器件实现20.46%效率（V_oc=1.22 V，FF=84.06%），EQE积分电流达20.42 mA cm^?2。MPPT测试2000小时后效率保持91%，在宽禁带PSC中属领先水平（图5，表1）。

3 结论

该研究通过接触角指导的SAM设计，创建了兼具高覆盖率和分子取向控制的和谐层，为钙钛矿界面工程提供了新思路。

4 实验方法

采用射频溅射制备NiO_x，顺序旋涂3PATAT-C3（DMF溶剂）和Me-4PACz（乙醇溶剂）。钙钛矿前驱体含0.5 mol% KSCN/MAI添加剂，乙醚反溶剂淬灭后100°C退火。表征涵盖XPS、UPS、GIXRD等先进技术。