摘要：钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其高效率和低成本的制造工艺受到广泛关注，但其稳定性面临着极大的挑战，特别是在各种环境应力下的长期稳定性。温度是影响PSCs稳定性的关键因素，高温可能引发挥发性有机成分的热降解、离子迁移以及界面的不稳定。同时，温度变化会导致设备内部
研究背景
钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其高效率和低成本的制造工艺受到广泛关注，但其稳定性面临着极大的挑战，特别是在各种环境应力下的长期稳定性。温度是影响PSCs稳定性的关键因素，高温可能引发挥发性有机成分的热降解、离子迁移以及界面的不稳定。同时，温度变化会导致设备内部因热膨胀系数不匹配而产生机械应力积累，从而导致设备失效。尽管空穴选择性自组装单分子层（SAMs）的引入在性能和稳定性方面取得了进展，但传统SAM在高温下容易发生脱附，并且其与钙钛矿界面之间的机械接触较弱，这限制了其耐热性和机械稳定性。
成果简介
基于此，西安交通大学刘宇航、马伟教授、瑞士洛桑联邦理工大学Michael Grätzel教授、华中科技大学李雄教授、尤帅博士等人合作提出了通过Friedel–Crafts烷基化形成的自组装双分子层（SABs）策略，实现了高效稳定的钙钛矿太阳能电池。该研究以“Self-assembled bilayer for perovskite solar cells with improved tolerance against thermal stresses”为题，发表在《Nature Energy》期刊上。
刘宇航，本科（2009-2013）就读于郑州大学材料科学与工程学院，博士（2013-2017）就读于香港科技大学化学系，主攻方向为有机光伏材料，导师颜河教授。2017-2023年在瑞士洛桑联邦理工大学光子与界面实验室Michael Graetzel教授课题组从事染料敏化太阳能电池与钙钛矿太阳能电池研究。2023年3月加入西安交通大学材料科学与工程学院。
近年来主要聚焦钙钛矿及有机/无机杂化光电半导体材料与器件研发，其中以第一作者或通讯作者（含共同）在Science, Sci. Adv., Nat. Commun., JACS, Adv. Mater., Angew. Chem., Joule等期刊发表论文，入选2022年度科睿唯安交叉领域高被引学者，担任JACS，Angew，Adv. Mater.等期刊独立审稿人。
研究亮点
1. 提升界面稳定性：通过Friedel-Crafts烷基化反应将SAM与上层分子共价连接，形成SAB结构，显著增强了界面热和机械稳定性，能够在100 °C下维持200小时而无明显降解。
2. 高的光电转换效率：SAB策略实现了超过26%的光电转换效率，并在国际电工委员会（IEC）61215:2021标准下，经受住了2000小时85 °C和85%湿度的热湿测试。
3. 优越的机械性能：SAB策略提高了界面粘附能，比传统SAM界面高出74%，减少了热循环测试中因应力导致的性能衰减。
图文导读
图1 SAB 的构建与结构
图1全面展示了自组装双分子层（SAB）在钙钛矿太阳能电池界面的设计与结构表征。首先，通过化学反应示意图直观地说明了Friedel–Crafts烷基化的反应机制，反应通过将含有2PACz的SAM与三苯胺（TATPA）共价连接，形成一个稳定的双分子层结构。其次，X射线光电子能谱（XPS）分析显示了SAB表面化学成分的变化，C1s光谱中出现了明显的C–C和C–P键能峰，验证了双分子层的形成。核磁共振（NMR）谱图进一步证明了SAB中分子交联的化学特性，观察到交联产物中特有的信号峰位。
此外，二维GIWAXS（掠入射广角X射线散射）图展示了分子层的晶体结构，表明2PACz层中分子主要呈现垂直排列，而上层TATPA则呈面向排列，这种结构有助于增强SAB与钙钛矿之间的粘附性和界面稳定性。整体而言，图1从分子结构到材料表征全方位解析了SAB的形成及其特点。
图2 SAB 的温度稳定性
图2对比了SAM与SAB在高温下的稳定性及其界面性能变化。首先，通过表面势分布图（KPFM）展示了两种界面在经过100 °C热退火200小时后的性能变化，结果表明SAB能够有效保持均匀的表面电势分布，而SAM界面出现了明显的不均匀性，表明其结构发生了热降解。其次，通过电化学方法测定了分子的覆盖密度，结果显示SAB的分子覆盖率下降幅度仅为32%，而SAM下降高达53%。
此外，EDS（能量色散X射线光谱）分析揭示了热处理后钙钛矿表面磷酸根的转移比例，进一步证明了SAB在温度变化下的界面稳定性显著高于SAM。结合这些分析，图2清晰地展示了SAB在耐高温性能方面的优势，为其在钙钛矿太阳能电池中的应用提供了有力的支持。
图3 二钙钛矿-分子接触界面的性能
图3详细探讨了钙钛矿与分子界面的物理性能和电学特性。时间分辨光致发光（TRPL）结果显示，SAB界面能够显著抑制非辐射复合现象，其寿命达到1018纳秒，而传统SAM仅为484纳秒，表明SAB界面缺陷密度更低。
接触电阻测试（TLM）进一步显示，SAB界面电阻为1.18×10⁶ Ω·cm，显著低于SAM的2.43×10⁶ Ω·cm，表明SAB能够实现更高效的电荷传输。此外，通过粘附能测试，结果显示SAB界面的粘附能为2.68 J/m²，比SAM的1.54 J/m²高出74%，展现出更强的机械稳定性。
图中还包括SEM图像对比，显示了热循环后SAB界面上的钙钛矿表面保持完整，而SAM界面则出现了明显的孔隙和非导电杂质。最后，通过DFT（密度泛函理论）计算，揭示了SAB界面增强粘附力和电子传输性能的本质原因。这些结果表明，SAB在光电性能和机械稳定性上优于SAM。
图4 光伏性能与稳定性
图4展示了基于SAB和SAM界面的钙钛矿太阳能电池的光电性能和长期稳定性。电流-电压曲线（I-V）结果表明，SAB器件的光电转换效率（PCE）达到了26.3%，而SAM器件仅为24.4%，显现出显著的性能提升。
IPCE（光子转化电流效率）测试验证了SAB器件的电流密度更高，与稳定功率输出（SPO）测试结果一致。长期稳定性测试显示，SAB器件在2000小时85°C和85%湿度条件下，性能损失小于4%，显著优于SAM器件的24%性能损失，满足工业标准要求。
此外，SAB器件在-40°C到85°C的1200次热循环中，效率损失仅为3%，表现出卓越的热稳定性。图中还展示了SAB策略在1 cm²大面积电池中的应用，其PCE达到了24.7%，证明了该策略的可扩展性。这些结果表明，SAB不仅在小面积器件中具有优势，在实际应用中也展现出强大的潜力。
总结展望
本文提出了一种基于Friedel–Crafts烷基化的自组装双分子层（SAB）策略，通过在分子层之间引入共价键连接，大幅提升了钙钛矿太阳能电池的热和机械稳定性。实验表明，SAB能够显著增强界面粘附能，降低非辐射复合损失，并在苛刻环境下保持高性能。相比于传统SAM界面，SAB界面展现出更高的鲁棒性和适用性，为下一代高效稳定的钙钛矿光伏器件提供了新的方向。然而，SAB的实际大规模应用仍需要进一步优化制备工艺和界面设计，尤其是在工业生产中的成本控制和兼容性方面。
文献信息
Self-assembled bilayer for perovskite solar cells with improved tolerance against thermal stresses. Nature Energy, https://doi.org/10.1038/s41560-024-01689-2.
来源：华算科技
