实验室应磊研究员团队： π共轭增强的自组装单层，实现高性能的反式钙钛矿太阳电池

反式（p-i-n）钙钛矿太阳电池因其低迟滞、高稳定性与产业化潜力而备受关注。但其瓶颈依旧集中在界面非辐射复合，以及 NiOx 空穴传输层与钙钛矿之间的界面接触差、缺陷多等问题。近年来，自组装单分子层（SAM）成为调控界面的有效策略，但商业化的 Me-4PACz 等SAM 分子因含有长绝缘烷基链，不利于空穴传输，限制了进一步效率突破。

近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室应磊研究员团队通过分子π共轭扩展与空穴–电子轨道分离设计策略，构建了新型高共轭结构 SAM分子 MCz-ICA，实现高界面耦合、高空穴提取效率与显著降低界面非辐射复合。基于 NiO_x/MCz-ICA 的反式钙钛矿器件获得 26.69% 的效率，并取得 26.47% 的第三方权威认证效率，同时在 ISOS-L-2I 条件下运行 1000 小时仍保持超过 92.5% 初始效率，显示出优异的稳定性。

团队采用逐步扩展 π-共轭体系与强化电子吸拉基团的方式，设计了四种新型 SAM，包括 MCz-PA、MCz-AC、MCz-CA 和MCz-ICA，实现从苯环桥接到乙烯基扩展再到强吸电子基团的系统调控。相比传统 Me-4PACz，其 π 电子从局域态变为能贯穿整个分子骨架的连续通道，有效提升界面电荷注入与共轭耦合能力。随着 π 共轭长度与空穴–电子分离增强，分子偶极矩显著增强，推动 SAM 在NiOx 上形成更致密覆盖和更强结合能。

MCz-ICA兼具强 π 共轭与显著的空穴–电子分布分离，实现了最高的界面结合能、最深的能级匹配与最均匀的 NiO_x 表面电位分布。同时，与钙钛矿价带实现更好的匹配，大幅降低空穴注入能垒。

在钙钛矿生长过程中，MCz-ICA 的强偶极和亲极性表面促进高均匀度成核，使最终钙钛矿晶粒尺寸增至约 520 nm，同时完全抑制 PbI₂残留。MCz-ICA 的羰基和氰基可与未配位 Pb²⁺ 形成稳定配位结构，有效钝化缺陷。高质量界面使得器件的辐射表明非辐射损失明显减少。

最终，基于 NiO_x/MCz-ICA 的反式钙钛矿太阳电池实现了 26.69% 的光电转换效率，并获得26.47% 的第三方认证，同时展现出长期稳定性。研究提出的 π 共轭扩展–轨道解耦策略为界面光伏材料的分子设计提供了新范式。

图1 (a) Me‑4PACz、MCz‑PA、MCz‑AC、MCz‑CA和 MCz‑ICA 的化学结构、空穴–电子分布分析（红色和蓝色等值面分别代表电子轨道和空穴跃迁轨道）以及电子定位函数（蓝色等值面表示 π 电子分布）。（b）各类 SAM 与钙钛矿或 NiO_x 接触时的电子密度差分等值面及其对应的结合能（E_b）

相关研究成果以“π‐Conjugationand Hole–Electron Separation in Self‐Assembled Monolayers Enables Efficient InvertedPerovskite Solar Cells”为题发表在Advanced Energy Materials上，其中通讯作者为罗轩昂博士，应磊研究员，第一作者为唐滏伸，尹森和罗轩昂博士。该研究工作得到了the Fundamental and Interdisciplinary DisciplinesBreakthrough Plan of the Ministry of Education of China(JYB2025XDXM410) 等科研项目的资助。

原文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/aenm.70942