JACS：氢键增强分子组装策略构筑热稳定钙钛矿太阳能电池

云深

2026-04-11

全文概要

华东理工大学吴永真、郑伟中及上海交通大学陈昊研究团队报道了一种基于氢键增强分子组装策略的新型双锚定咔唑类自组装单分子层（SAM）空穴选择接触材料（MeO-CzPACA和MeO-CzPA2）。通过在传统单膦酸锚定分子的邻位引入羧酸或第二膦酸基团，利用分子内六元环氢键增强溶液中的Brønsted酸性，促进与ITO衬底的高效缩合反应；吸附后，未锚定的官能团通过分子间氢键形成致密有序的分子层，兼具高覆盖度与动态自修复能力。基于该策略的单结钙钛矿太阳能电池（PSCs）与全钙钛矿叠层器件分别实现了26.9%和29.6%的冠军效率，且器件在85℃加热1800小时、-40至85℃热循环500次及65℃连续光照2000小时后仍保持90%以上的初始效率。

本文要点

1. 分子设计与组装机制：通过在单膦酸锚定分子的邻位引入羧酸（MeO-CzPACA）或第二膦酸（MeO-CzPA2），利用空间位阻迫使仅一个膦酸基团键合ITO。分子内六元环氢键稳定去质子化形式，增强酸性，提高吸附密度（较参比分子提升28-31%）。吸附后，游离锚定基团形成分子间氢键（C=O⋯H-O或P=O⋯H-O），协同π-π堆积构建高度有序且热稳定的单分子层，并具备热致可逆自愈合能力。

2. 光电性能：MeO-CzPA2基单结器件（1.53 eV）冠军效率达26.9%（V_OC = 1.20 V， FF = 86.1%），1 cm²器件效率为25.1%；用于宽禁带（1.77 eV）子电池时效率为20.0%，全钙钛矿叠层器件冠军效率达29.6%。

3. 热稳定性：未封装器件在85℃氮气氛围下老化1800小时后，MeO-CzPA2器件保持90.2%初始效率（参比仅65.9%）；封装器件经500次热循环（-40至85℃）后保持90.3%效率；在65℃连续1太阳光照2000小时后，保持95.6%效率。稳定性提升归因于氢键增强的分子层结构完整性及其动态自修复特性。

4. 机理验证：傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）证实单锚定吸附模式及分子间氢键形成。循环伏安法测得双锚定分子吸附密度达5.81×10¹³分子/cm²。分子动力学模拟显示双锚定分子形成更均匀、致密的覆盖层。开尔文探针力显微镜（KPFM）证实热老化后其表面电位分布仍高度均匀，而参比分子层发生结构紊乱。

文献详情

Liqing Zhan, Xiaofeng Chen, Jiayi Liu, et al. Hydrogen Bonding Enhanced Molecular Assembly of Hole-Selective Contact for Thermally Stable Perovskite Solar Cells, J. Am. Chem. Soc. (2026) DOI: 10.1021/jacs.6c02024

全文链接

https://doi.org/10.1021/jacs.6c02024