青島能源所包西昌AFM：SAMs助力高性能鈣鈦礦太陽能電池

發表時間：2025-09-25 10:25

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鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）憑借其獨特的光電特性以及低廉的生產成本，在光伏領域成為備受矚目的研究焦點。近期，中科院青島生物能源與過程研究所包西昌研究員、泰山學院Yawei Miao和青島理工大學谷傳濤副教授強強聯合，帶領其團隊在該領域開展了深入且富有成效的探索，取得了一系列具有重要價值的關鍵進展。

其中，自組裝單分子層（SAMs）作為新型界面修飾材料，在p - i - n結構鈣鈦礦太陽能電池中作為空穴傳輸層時，展現出了極為優異的性能。得益于SAMs技術的飛速發展，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率已成功突破27%這一關鍵瓶頸。

然而，SAM材料的發展并非坦途，目前正面臨著諸多嚴峻挑戰，如分子聚集、潤濕性差以及長期穩定性不足等問題。因此，對SAM進行全面、深入且系統的綜述與分析，對于開發新型、高性能的SAM材料而言具有至關重要的意義。包西昌研究員團隊系統回顧了近年來SAMs的研究進展，深入剖析了其在鈣鈦礦太陽能電池中的結構設計與功能作用，并對新型SAMs的設計理念及其商業化前景進行了前瞻性的展望。相信本綜述將為科研人員開發出功能性更強、更具創新性的SAM材料提供堅實的理論依據和有力的實踐指引，進而加速推動鈣鈦礦太陽能電池從實驗室研究邁向實際應用。

在分子設計的基礎上，該團隊研究人員創新性地采用了表面修飾策略，引入不同的自組裝單分子層（SAM）材料作為界面修飾劑，對電子傳輸層（ETLs）進行了系統且精細的優化。他們成功開發了雙極性分子HOOC(CH?)? - PP - CH? - NH?Cl（當n = 0時記為A，n = 1時記為B）。通過剛性聯苯（PP）主鏈與柔性亞甲基鏈的協同作用，巧妙地實現了氧化鋅（ZnO）表面與鈣鈦礦層之間的良好結構相容性。其中，─NH??通過靜電相互作用，精準地引導鈣鈦礦定向生長；而─COOH基團則通過雙齒配位模式，有效地鈍化ZnO中的氧空位，使得器件的光電轉換效率（PCE）從3.9%大幅提升至8.8%。

隨后，該團隊采用L - 組氨酸（L - His）對二氧化錫（SnO?）電子傳輸層進行修飾。其─COOH基團與SnO?中的Sn??發生相互作用，顯著降低了氧空位濃度；而─NH??基團則通過氫鍵作用，增強了與鈣鈦礦層的界面結合強度。這種對電荷提取過程的協同優化，使器件PCE達到21.04%。值得一提的是，該研究首次將生物相容性分子引入電子傳輸層界面工程，為鈣鈦礦太陽能電池的綠色制造工藝開辟了一條全新的途徑。

為進一步攻克ZnO的化學不相容性難題，該團隊精心設計了噻吩乙酸衍生物2 - TA和3 - TA作為自組裝單分子層修飾劑。羧酸基團牢固地錨定在ZnO表面，而噻吩環中的硫原子憑借其路易斯堿性，有效地鈍化鈣鈦礦中的Pb2?。此外，4.09 D的分子偶極矩顯著降低了ZnO的功函數（WF），優化了界面能級對齊。經2 - TA修飾的器件PCE高達20.6%，且熱穩定性顯著優于對照組，這主要歸因于硫 - 鉛配位作用對鈣鈦礦分解的有效抑制。不同電子傳輸型自組裝單分子層修飾的器件性能總結于表7。

目前，針對n型自組裝單分子層的研究仍明顯滯后于p型空穴傳輸型自組裝單分子層。界面結構穩定性不足以及n型自組裝單分子層設計復雜等問題，依舊是制約其實際應用的主要瓶頸。未來，該團隊認為需進一步探索具有更高穩定性的分子設計方案，并深入闡明界面相互作用機制，從而推動基于自組裝單分子層的電子傳輸層在高性能、穩定鈣鈦礦太陽能電池中得到廣泛應用，助力鈣鈦礦太陽能電池產業實現新的突破與發展。