合作成果I高效且热稳定的反式钙钛矿太阳能电池

随着全球可再生能源需求的迅速增长，太阳能光伏技术已成为应对能源危机与环境污染的关键解决方案。其中，钙钛矿太阳能电池因其具有高光电转换效率、低材料成本及轻质结构等优势，在太阳能光伏领域备受瞩目。反式钙钛矿太阳能电池，相较于传统的正式结构，加工工艺简单、易于实现相对低温制备、且耐候性更佳，因此受到学术及产业化的广泛关注。近年来，通过界面工程等策略优化，反式钙钛矿太阳能电池的效率已突破26%。近年来，自组装单分子层（Self-Assembled Monolayer, SAM）作为一种空穴传输层材料，因其低成本、低光学与电学损耗、能级易于调控以及表面性质可调等优势，在反式钙钛矿太阳能电池中得到了广泛应用。然而，现有界面SAM层主要通过化学方式吸附在透明导电层（TCO）表面，当器件暴露于高温或经历热循环冲击时，分子层可能发生脱附或聚集，导致界面接触恶化及载流子（空穴）传输受阻，最终显著削弱器件的性能和稳定性。因而，开发更为稳定和高效的空穴选择性接触新材料体系对于进一步提升器件的热稳定性，推动其产业化应用至关重要。

为解决上述问题，西安交通大学金属材料强度全国重点实验室马伟教授团队的刘宇航教授等，设计了一种通过共价键连接的自组装双分子层结构(Self-Assembled Bilayer, SAB)。该结构在传统小分子SAM层材料体系的基础上，通过傅-克烷基化反应 (Friedel–Crafts alkylation) 构建了共价键连接的聚合物网络体系。这种共价连接能够有效“锚定”吸附在透明导电基底上的小分子SAM层，显著提升其耐高温和抗热冲击的稳定性。同时，上层独特的分子定向排列表现出与钙钛矿材料优异的黏附特性，从而增强了钙钛矿/空穴传输层界面的机械强度。基于这一策略，研究团队成功实现了光电转换效率超过26%的器件性能。在2000小时的湿热稳定性测试（85摄氏度和85%相对湿度），基于自组装双分子层的冠军器件效率仅衰减了原始效率的4 %；此外，在1200次-40 ℃至85 ℃的热循环稳定性测试中，其效率相比原始值仅衰减了3 %。该研究成果以“Self-assembled bilayer for perovskite solar cells with improved tolerance against thermal stresses”（耐热应力稳定的自组装双分子层钙钛矿太阳能电池）为题，发表在国际能源领域顶级期刊《Nature Energy》（《自然能源》）上。

图1 a，自组装双分子层的结构示意图；b，基于自组装双分子层的器件照片。

图2. 傅-克烷基化反应过程。

TOF-SIMS表征的关键作用

通过傅-克烷基化反应形成共价键连接的自组装双分子层结构（SAB）是本文中提高器件耐高温以及热冲击的稳定性的重要创新点，如何科学表征ITO表面小分子SAM层形成SAB的反应机制是关键，同时也面临着很多挑战。在此背景下，爱发科费恩斯（南京）仪器有限公司的鞠焕鑫博士和丁志琴工程师与刘宇航教授展开合作，利用飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）作为一种强大的表面分析技术，为揭示SAB的形成机制提供了关键数据。

TOF-SIMS技术优势

1. 超高表面灵敏：TOF-SIMS作为一种典型的静态二次离子质谱技术，表面灵敏度可达1nm，特别适用于极薄自组装单层/双层的表征；

2. 分子结构检测能力：TOF-SIMS可选择Bi₃⁺团簇离子源作为初级离子束轰击有机分子，有利于激发大质量数的分子离子碎片，从而解析分子结构；

3. 高质量分辨：TOF-SIMS具有高质量分析本领（m/Δm > 10,000），能够通过精确的质荷比（m/z）分析，区分了共价键产物与未反应单体。

TOF-SIMS实验结果

通过PHI nanoTOF3+设备对2PACz（仅含单层自组装分子SAM）和2PACz-TATPA（通过傅-克烷基化反应形成的双分子层SAB）两类样品进行了TOF-SIMS测试，质谱数据分析如下：

（1）2PACz单分子层：

TOF-SIMS质谱中未检测到m/z > 700的分子碎片（图3b），表明未发生大分子耦合反应，仅存在单个2PACz分子的特征峰。

（2）2PACz-TATPA双分子层：

TOF-SIMS质谱中观察到多个m/z > 700的峰（如m/z 862.4和804.3），这些峰超出了2PACz或TATPA单体分子量范围（图3c）。结合反应机理，这些峰被归因于亚甲基桥连接的傅-克烷基化产物，即2PACz与TATPA通过共价键形成聚合物网络。

图3.（A）TOF-SIMS表征示意图，（B）2PACz SAM的TOF-SIMS质谱图，（C）2PACz-TATPA的TOF-SIMS质谱图。

TOF-SIMS在研究中作为关键表征手段，通过高表面灵敏和大分子量碎片检测能力，直接验证了SAB中共价键聚合物网络的形成。这一数据不仅支持了SAB结构的热稳定性和机械强度提升机制，还为后续器件性能优化（如效率>26%和耐湿热/热循环稳定性）奠定了化学基础。TOF-SIMS作为一种强大的表面分析技术，在钙钛矿太阳能电池的研究中展现了其独特的优势和重要性，为未来进一步优化器件性能和推动其产业化应用提供了重要的技术手段。

新闻链接：https://mse.xjtu.edu.cn/info/1016/8639.htm

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41560-024-01689-2