【摘要】 昆明理工大学朱焘课题组在《Advanced Materials》发表研究，通过多重氢键协同调控优化自组装单分子层吸附，提升钙钛矿太阳能电池效率与稳定性。科学指南针提供分子动力学模拟支持。

昆明理工大学朱焘副教授课题组在《Advanced Materials》发表创新研究成果，通过多重氢键协同调控策略优化自组装单分子层吸附行为，实现倒置钙钛矿太阳能电池效率与稳定性双重突破。科学指南针唯理计算团队为本研究提供界面分子动力学模拟与吸附能计算支持，助力原子层面机理解析。

 

研究背景与倒置钙钛矿电池挑战

倒置结构钙钛矿太阳能电池（p-i-n PSCs）凭借低温制备工艺、高开路电压和优异稳定性潜力，成为产业化重要方向。自组装单分子层作为空穴传输层可将器件效率提升至27%以上，但界面吸附不均匀问题严重制约性能突破。

核心技术瓶颈：

  • 自组装单分子层在NiOx表面吸附不均匀、结合力弱

  • 埋底界面缺陷密布引发严重非辐射复合

  • 界面稳定性不足制约长期运行性能

  • 传统SAM分子覆盖率低、排列无序

  • 热稳定性差限制实际应用场景

 

创新方法：多重氢键协同调控策略

研究团队创新性提出多重氢键协同调控策略，通过含氟小分子引入构建氢键网络，优化自组装单分子层吸附构型与界面性能。

技术突破要点：

  • 七氟丁酰胺或七氟丁亚氨酰胺引入MeO-4PACz体系

  • 多重氢键网络诱导SAM分子形成60°倾斜取向

  • 表面覆盖率从0.912显著提升至1.236

  • 有效钝化埋底界面未配位Pb缺陷

  • 同步提升界面均匀性与结合强度

 

理论计算与界面吸附机制

科学指南针支持的分子动力学模拟与吸附能计算深入揭示多重氢键策略对界面吸附行为的优化机制。

计算研究发现：

  • MD模拟可视化MeO-4PACz、HA、HM在NiOx/钙钛矿界面吸附构型

  • 纯MeO分子平躺吸附导致覆盖不均

  • HA/HM填充MeO分子间空隙，提升NiOx侧吸附比例至65%

  • HM诱导MeO形成60°倾斜取向，抑制分子聚集

  • 密度分布曲线证实HTL层结构优化

图1：通过分子动力学（MD）模拟，可视化了MeO-4PACz（MeO）、HA和HM在NiOx/钙钛矿异质结界面的吸附构型与分布。

 

分子相互作用与覆盖度验证

多种表征手段系统验证分子间氢键作用与SAM覆盖度提升，为理论计算提供实验支撑。

表征验证结果：

  • XPS谱图证实HA/HM与MeO间氢键作用

  • NMR谱图显示-NH₂质子峰下移，氢键形成

  • EDS定量分析显示MeO覆盖度显著提升

  • NiOx中Ni³⁺比例增加，增强p型特性

  • 埋底界面XPS证实未配位Pb缺陷有效钝化

图2：综合运用多种表征手段验证了分子间相互作用及SAM覆盖情况。

 

界面质量与结晶性能优化

多重氢键策略显著改善钙钛矿埋底界面质量，提升薄膜结晶性能与光学特性。

界面优化成果：

  • SEM图像显示更致密、晶界更清晰的埋底形貌

  • GIWAXS证实(100)晶面择优取向增强

  • PL mapping显示发光强度更高、更均匀

  • GIXRD分析证明薄膜残余应力有效释放

  • 缺陷态密度从1.03×10²³降至4.39×10²² cm⁻³ eV⁻¹

图3：聚焦于剥离后暴露的钙钛矿埋底界面的质量表征。

 

载流子动力学与能级排列

多重氢键策略优化载流子传输动力学与能级排列，提升器件光伏性能。

性能提升机制：

  • TA和TRPL显示载流子寿命从772.44 ps延长至995.55 ps

  • 稳态PL强度显著增强，非辐射复合抑制

  • Mott-Schottky分析显示内建电势从0.97 V提升至1.05 V

  • UPS/UV-vis证实SAM价带顶与钙钛矿能级对齐优化

  • 界面能量损失大幅降低

图4：研究了载流子动力学和能级排列。

 

器件性能与稳定性突破

MeO-HM优化器件实现26.99%冠军效率，认证稳态效率26.62%，展现卓越稳定性。

性能卓越表现：

  • 冠军器件效率26.99%，显著优于纯MeO器件24.57%

  • 大面积模组（809.69 cm²）效率达20.36%

  • 开路电压和短路电流同步提升

  • 25°C下MPPT运行1500小时保留92%初始效率

  • 60°C高温下运行1500小时保留87%初始效率

图5：全面展示了器件的光伏性能与稳定性。

 

老化后界面稳定性验证

多重氢键策略有效抑制离子迁移，保持长期运行后界面结构完整性。

稳定性验证：

  • 30天光/暗循环老化后SEM显示清晰晶粒结构

  • 埋底界面晶界保持清晰，无模糊现象

  • 离子迁移抑制机制得到实验证实

  • 界面化学稳定性显著提升

  • 热稳定性满足实际应用需求

 

研究意义与应用前景

多重氢键协同调控策略为倒置钙钛矿太阳能电池商业化提供创新解决方案。

创新价值总结：

  • 简单低成本界面工程策略实现效率稳定性双重突破

  • 多重氢键精准调控SAM吸附行为与界面性能

  • 科学指南针计算支持为原子层面机理解析提供关键支撑

  • 为大面积钙钛矿光伏组件商业化提供理论依据

应用前景：

  • 高效稳定钙钛矿太阳能电池产业化

  • 大面积光伏组件制造工艺优化

  • 新型空穴传输材料设计开发

  • 可再生能源发电系统集成

论文信息：Advanced Materials, 2025

DOI：10.1002/adma.72638

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