​浙江大学/西湖大学，Nature Chemistry！

米测MeLab

2025-02-27

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

钙钛矿太阳能电池代表了一类有希望的光伏应用，在短时间内达到了出色的性能。基于分子的选择性接触（MSC）已成为在钙钛矿太阳能电池中达到高功率转化效率（PCE）的关键成分。

关键问题

然而，目前钙钛矿电池的应用主要存在以下问题：

1、目前钙钛矿电池存在界面结构稳定性不足的问题

当前用于构建MSC的有机分子在实际应用中表现出较差的稳定性。这些分子在外部刺激下容易发生相变或结构崩溃，导致界面结构的有序排列被破坏，从而限制了钙钛矿电池的长期耐用性。

2、载流子选择性和运输效率存在平衡难题

虽然扩展的共轭核心和π-π相互作用有助于实现高效的载流子运输，但这些特性也使得分子排列倾向于结晶化，进一步增加了结构的不稳定性。因此，如何在保持载流子选择性和运输效率的同时，增强界面结构的稳定性，以提高钙钛矿太阳能电池的功率转化效率（PCE）和长期耐用性，仍然是一个亟待解决的挑战。    

新思路

有鉴于此，浙江大学杨德仁院士、薛晶晶、邓天琪以及西湖大学王睿等人证明了与正交π骨架的分子接触，该分子与常用的共轭核表现出对外部刺激更好的弹性。该分子设计产生了无序的无定形结构，不仅高度稳定，而且表现出非凡的电荷选择性和运输能力。用这种正交π-骨架分子制造的钙钛矿太阳能电池在加速年龄测试中表现出增强的长期耐用性。这种正交π-骨架功能为有机电子应用的分子设计开辟了新的机会。

技术方案：

1、通过引入正交π-骨架诱导的结构无序

作者设计了新型分子SAX，其正交π骨架结构导致分子高度无序堆积，有效避免了分子结晶，为钙钛矿太阳能电池的分子设计提供了新思路。    

2、对比了4PACz和SAX薄膜在不同外部刺激下的结构和电荷传输稳定性

作者对比了4PACz和SAX薄膜在高温和机械应力下的稳定性。结果显示，4PACz易聚集且电导率下降，而SAX因正交π骨架的无序结构，表现出更高的稳定性和电荷传输能力，表面形貌和电导率保持稳定，具有更好的应用前景。

3、评估了使用SAX作为MSC的钙钛矿太阳能电池的性能

作者证实了使用SAX作为MSC的钙钛矿太阳能电池在性能和稳定性上显著优于传统4PACz，实现了25.1%的PCE， FF达到83.4%。

技术优势：

1、创新地设计了具有无序无定型结构的正交π骨架的分子结构

作者开发了一种具有正交π骨架的分子结构，这种结构表现出高度无序的无定形特性，能够更好地适应外部压力和刺激，不仅提高了钙钛矿太阳能电池的长期耐用性，还在加速老化测试中表现出显著的性能优势。

2、设计的分子结构表现出卓越的电荷选择性和运输能力

作者设计的正交π骨架分子不仅在电荷传输方面表现出色，还能在实际应用中维持高效的功率转化效率（PCE）。无定形MSC的钙钛矿太阳能电池在50°C下运行超过2500小时后，仍能保持超过90%的初始PCE。

技术细节

正交π-骨架诱导的结构无序

作者设计并合成了一种新型分子（SAX），用于构建钙钛矿太阳能电池中的选择性接触。与常用的基于咔唑共轭核的分子（4PACz）不同，SAX引入了正交π共轭单元，导致分子半体几乎垂直排列。在ITO玻璃基板上加工成薄膜时，4PACz表现出明确的XRD峰，表明其分子长程有序堆积，而SAX膜则没有明显衍射峰，表明其分子堆积高度无序。偏振相关的拉曼光谱分析也显示，4PACz具有各向异性，而SAX的分子骨架相对随机排列。此外，SAX在界面处的分子堆积有序性显著降低，进一步证实了其高度无序的非晶相特性。这种设计有效阻止了分子的有序自堆叠和结晶，为钙钛矿太阳能电池的分子设计提供了新的思路。    

图  分子设计和堆叠行为

增强对外界刺激的抵抗力

作者通过AFM、MD模拟、XRD、表面增强拉曼光谱（SFG-VS）和导电原子力显微镜（c-AFM）等多种技术，对比了4PACz和SAX薄膜在不同外部刺激下的结构和电荷传输稳定性。研究发现，4PACz薄膜在高温老化和机械应力下易出现分子聚集和电导率下降，而SAX薄膜由于其无序的正交π骨架结构，表现出更高的结构稳定性和电荷传输能力。具体而言，4PACz薄膜在65°C老化400小时后出现明显聚集，而SAX薄膜表面形貌几乎不变。机械应力测试表明SAX显示出更好的机械应力抵抗力。MD模拟显示，4PACz分子在退火后易聚集，π-π堆叠被破坏，而SAX分子的无序堆积模式在退火后保持不变。XRD和SFG-VS进一步证实了SAX薄膜在长时间暴露于激光束下结构无序性的持续性。c-AFM测量表明，SAX薄膜具有更高的电荷传输能力，且在机械应力下电导率保持稳定，而4PACz薄膜电导率显著下降。UPS结果显示，SAX薄膜具有更明显的p型特性，表面电位分布更均匀，且在机械拉伸后能量水平不受影响。这些结果表明，SAX薄膜的无序结构为其在实际应用中提供了显著优势，特别是在结构稳定性和电荷传输能力方面。    

图  无定性诱导的结构稳定性

图  分子膜的电子特性

光伏性能

作者进一步评估了使用SAX作为分子选择性接触（MSC）的钙钛矿太阳能电池的性能，发现其在光伏效率和稳定性方面显著优于传统4PACz。基于SAX的器件实现了25.1%的最高光电转换效率（PCE），填充因子（FF）达到83.4%，而4PACz器件的PCE为22.4%，FF为78.1%。SAX的无序分子堆叠结构使其在高温和机械应力下表现出更高的稳定性，器件在85°C老化1000小时后仍保持95%以上的初始PCE。此外，SAX在柔性基底上也展现出优异的性能，机械拉伸后PCE几乎无退化，而4PACz器件的PCE显著下降。这些结果表明，SAX作为一种新型MSC材料，能够显著提升钙钛矿太阳能电池的性能和稳定性，具有广阔的应用前景。    

图  光伏性能

展望

总之，作者开发了一种独特的共轭核心，提供了无定形结构。这种高度无序的结构归因于其在分子排列和电荷传输途径方面的灵活性更大，与晶体刺激相比，对外部刺激的弹性增强了。钙钛矿太阳能电池设备在PCE和操作稳定性方面都有改善。本工作在不损害电子特性的情况下呈现非晶态的独特π骨架设计可能会激发未来的研究，以释放有机电子分子家族的全部潜力。

参考文献：

Zhou, J., Luo, Y., Li, R. et al. Molecular contacts with an orthogonal π-skeleton induce amorphization to enhance perovskite solar cell performance. Nat. Chem. (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41557-025-01732-z