"柔性邂逅刚性：自组装单分子层材料策略实现钙钛矿太阳能电池效率与稳定性双突破"

研究人员针对钙钛矿太阳能电池(PSCs)界面工程中分子堆积密度、电荷传输效率与缺陷钝化难以平衡的挑战，创新性提出"柔性头基-刚性连接基"协同的自组装单分子层(SAM)材料设计策略。以(4-(二苯氨基)苯基)膦酸(PATPA)为模型分子，实现了26.21%(0.0715 cm2)和24.49%(1 cm2)的转换效率，器件在85°C热老化500小时后仍保持88%初始效率，为高效稳定PSCs开发提供新思路。

　　

在可再生能源领域，钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其惊人的光电转换效率(PCEs)和低廉的制造成本成为研究热点，其效率已逐步逼近传统硅基太阳能电池。然而，长期稳定性和界面工程问题始终是制约其商业化的关键瓶颈。特别是在空穴选择层(HSL)优化方面，传统自组装单分子层(SAM)材料往往难以兼顾分子排列有序性和电荷传输效率——柔性烷基链连接基会导致分子堆积松散，而刚性头基又可能引发界面应力积累。如何通过分子结构设计实现"鱼与熊掌兼得"，成为学界亟待解决的难题。

针对这一挑战，香港城市大学、河南大学等机构的研究团队在《Nature Communications》发表创新成果。研究人员提出"刚柔并济"的SAM分子设计范式，通过系统比较(4-(9H-咔唑-9-基)苯基)膦酸(PhpPACz)、(4-(二苯氨基)苯乙基)膦酸(2PATPA)和(4-(二苯氨基)苯基)膦酸(PATPA)三种分子结构，发现兼具三苯胺(TPA)柔性头基和苯环刚性连接基的PATPA能最优平衡分子取向与功能特性。

研究采用密度泛函理论(DFT)计算结合从头算分子动力学(AIMD)模拟揭示分子构效关系，通过X射线光电子能谱(XPS)和开尔文探针力显微镜(KPFM)表征界面特性，借助空间电荷限制电流(SCLC)和电化学阻抗谱(EIS)分析载流子动力学，并系统评估器件光伏性能与稳定性。

分子构型与界面特性
AIMD模拟显示PATPA的苯环连接基使其在氧化铟锡(ITO)基底呈倾斜取向，而2PATPA因烷基链柔性呈现扭曲排列。静电势表面(ESP)计算证实PATPA具有2.80德拜的强分子偶极矩，显著高于2PATPA(1.31德拜)，这诱导出从钙钛矿指向ITO的界面偶极，促进电荷分离。XPS mapping显示PATPA的磷/铟(P/In)比达0.223，是2PATPA(0.059)的3.8倍，证实其更高分子堆积密度。

薄膜质量与缺陷控制
SEM显示PATPA修饰的钙钛矿薄膜平均晶粒尺寸达409.6 nm，优于PhpPACz组(354.8 nm)。威廉姆森-霍尔分析表明PATPA将薄膜残余应变从2.2×10^-2(PhpPACz)降至6.4×10^-3。SCLC测试测得PATPA器件的陷阱密度仅3.33×10¹⁵ cm^-3，比PhpPACz降低一个数量级。TRPL显示PATPA界面空穴提取时间常数(τ₁)缩短至1.04 μs，表明更高效电荷转移。

器件性能与稳定性
冠军器件获得26.21%的PCE(认证效率26.26%)，开路电压(V_OC)达1.186 V，填充因子(FF)85.52%。1 cm²大面积器件仍保持24.49%效率。莫特-肖特基分析显示PATPA器件内置电势(V_bi)达0.94V，显著高于2PATPA(0.82V)。在氮气环境中，PATPA器件在1000小时持续光照后保持91%初始效率，85°C热老化500小时后效率保持率达88%，远优于对比组。

该研究开创性地提出"柔性头基-刚性连接基"协同设计原则，阐明分子构型-界面特性-器件性能的构效关系。PATPA通过TPA头基的构象自适应缓解界面应力，苯环连接基确保高密度有序排列，实现能级精准对齐(ΔE=0.07eV)和缺陷协同钝化。这项工作不仅为高效稳定PSCs开发提供新材料体系，更建立了普适性的SAM分子设计范式，对有机电子器件界面工程具有重要启示意义。