刚发Science，再发Nature Energy，武大这个课题组，把钙钛矿太阳能电池进行到底！

米测MeLab

2026-03-25

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。

编辑丨风云

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研究背景

金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）已成为下一代光伏技术的有力竞争者，其光电转换效率（PCE）提升迅速且具备低成本制造优势。

关键问题

目前，PSCs的发展主要存在以下问题：

1、电子选择性界面损失严重

常用的富勒烯（C₆₀）作为非极性半导体，缺乏钝化钙钛矿表面未配位离子的功能基团，且易与迁移的碘离子反应产生深能级陷阱，导致严重的QFLS损失。

2、电荷提取与载流子浓度的权衡

传统策略倾向于加速电荷提取以减少复合，但过快的提取会耗尽界面的载流子群体，限制了QFLS的提升空间，使器件难以接近辐射复合的理论电压极限。

新思路

有鉴于此，武汉大学王植平等人证明合理的界面设计有利于减缓提取速率，在保持界面载流子的同时最小化非辐射复合。作者在钙钛矿/C₆₀界面上引入了一种分子工程的电子选择性自组装单层膜3 PDPA，3PDPA减缓了电子提取，锚定了未配位的Pb²⁺离子，并与FA⁺阳离子形成稳定的六元氢键环，提供了稳健的钝化和卓越的化学稳定性。3PDPA还能与C₆₀产生π–π相互作用，改善界面接触并减少电势波动。采用3PDPA的倒置电池在1.53 eV带隙下实现了26.82%的效率，在1.77 eV带隙下实现了21.2%的效率，并在ISOS-L-3压力条件下实现了约1,000小时的T₉₀寿命。

技术方案：

1、设计并合成了一种名为3PDPA的电子选择性自组装单分子层

 研究团队设计合成3PDPA电子选择性SAM，通过配位键和氢键双重机制锚定钙钛矿表面，钝化缺陷并为C₆₀有序生长提供分子模板。

2、证明了3PDPA在建立低缺陷、高能量有序度界面方面的独特优势

3PDPA显著提升了钙钛矿表面电势均匀性，诱导C₆₀有序排列，降低能量无序度，建立低缺陷高有序度界面。

3、探讨了3PDPA如何平衡载流子提取与复合

3PDPA减缓载流子提取速率，抑制缺陷复合，提升界面载流子浓度和准费米能级，减少QFLS损失30 meV，确立了高钝化界面下提升电压的设计原则。

4、表征了光伏性能突破与长期稳定性

3PDPA优化倒置钙钛矿电池效率达26.82%，Voc 1.18 V，FF 86.5%，T₉₀寿命1000小时，界面结合能高，稳定性优异。

技术优势：

1、提出了减缓提取速率的新策略

研究创新性地证明在低复合速率前提下，通过分子工程（3PDPA）故意减缓电子提取速率，可以有效保持界面高载流子浓度，从而显著增强QFLS和Voc。

2、构建了多功能化学稳健界面

作者利用3PDPA分子与钙钛矿（配位与氢键）及C₆₀（π–π作用）的强相互作用，不仅钝化了缺陷，还减少了界面能量无序度，实现了26.82%的高效率和卓越的运行稳定性。

技术细节

分子设计与界面相互作用机制

研究团队设计并合成了一种名为3PDPA的电子选择性自组装单分子层（SAM）。该分子由作为电子受体的邻苯二甲酰亚胺端基、调节构型的丙级烷基链以及作为锚定基团的膦酸组成。单晶X射线衍射显示，3PDPA分子在钙钛矿表面具有特定的几何取向，有利于暴露π共轭表面与后续沉积的C₆₀产生π–π堆叠。实验通过红外光谱（FTIR）、核磁共振（NMR）和X射线光电子能谱（XPS）深入揭示了其双重结合机制：分子的P=O基团与钙钛矿表面未配位的Pb²⁺离子形成配位键，同时其-P-OH基团与FA+阳离子形成稳定的两点式六元氢键环。这种稳健的锚定不仅精准钝化了表面缺陷，还为C₆₀的有序生长提供了分子模板。相较于传统修改器，3PDPA构建了一个化学结构高度一致且紧凑的分子界面，为后续的电荷动力学调控奠定了坚实的微观基础。

图  分子设计与界面相互作用

界面电势波动抑制与有序性改善

通过开尔文探针力显微镜（KPFM）对界面电势分布的成像研究，发现原始钙钛矿膜由于表面陷阱和成分不均表现出明显的空间电势波动（CPD变化约36 mV）。直接沉积非极性的C₆₀无法改善这种电子无序状态，电势波动反而略有增加。引入3PDPA中间层后，即使不改变形貌，表面的CPD分布均匀性也得到了显著提升，表明缺陷得到了有效钝化。更重要的是，基于3PDPA生长的C₆₀薄膜展现出更大的畴尺寸、更低的粗糙度和极高的电势均匀性（CPD分布缩小至~10 mV）。这证实了3PDPA通过π–π相互作用诱导了C₆₀的有序排列，显著降低了能量无序度。相比之下，传统的铵盐修饰剂（如PEAI、PDAI₂）虽然能改变能级，但无法有效调节C₆₀的生长有序性，证明了3PDPA在建立低缺陷、高能量有序度界面方面的独特优势。

图  表面形貌和电位分布

界面载流子群体保持与QFLS优化

研究重点探讨了3PDPA如何平衡载流子提取与复合以最大化QFLS。瞬态荧光（TRPL）测试显示，C₆₀会导致载流子寿命从2.2 μs剧降至37 ns，而引入3PDPA后寿命恢复至116 ns，证实了其“减缓提取速率”的特性。瞬态吸收（TA）光谱进一步验证了这种受控的电子转移过程。通过器件仿真（SCAPS-1D）和DFT计算，研究揭示了其中的物理机理：在缺陷复合得到显著抑制的前提下（如3PDPA的强钝化作用），适度降低提取速率可以使电子在界面处形成受限的“电子云”，从而提高界面载流子浓度（n）。这种载流子积聚驱动了准费米能级（EFn）的进一步抬升，直接导致QFLS和Voc的单调增加。光致发光量子产率（PLQY）测试最终证实，3PDPA使QFLS损失减少了30 meV。这一发现协调了文献中关于快速/慢速提取的争议，确立了在高钝化界面下通过保持载流子密度来提升电压的设计原则。

图  界面载流子动力学及其对QFLS的影响

光伏性能突破与长期稳定性验证

基于3PDPA优化的倒置钙钛矿电池实现了卓越的性能提升。1.53 eV带隙电池的最佳效率达到26.82%（认证26.36%），V_oc达到1.18 V，FF高达86.5%；在1.77 eV宽带隙电池中也实现了21.2%的PCE。统计分析表明，V_oc和FF的同步提升是由于非辐射复合的抑制和QFLS的增强。在稳定性方面，3PDPA展现出显著优势：在ISOS-L-3标准下（65°C，50% RH，连续光照），封装器件的T₉₀寿命达到1000小时。对比实验显示，传统的PEAI修饰剂由于碘离子迁移和热稳定性差，导致效率快速下降。3PDPA凭借极高的界面结合能（1.78 eV）和稳健的化学锚定，有效阻止了碘离子的渗透与迁移，保持了长期的界面完整性。即使在更苛刻的未封装条件下，3PDPA器件的退化率也远低于PDAI₂等先进铵盐钝化剂，证明了其在未来光伏商业化应用中的巨大潜力。

图  光伏性能和长期运行稳定性

展望

本研究提出了一种理性的界面工程策略，通过分子工程设计的3PDPA分子在减缓电子提取速率的同时显著抑制非辐射复合，从而在界面处保持高载流子密度以最大化准费米能级分裂（QFLS）。器件不仅实现了26.82%的卓越效率，还在严苛的ISOS-L-3稳定性测试中展现了极佳的鲁棒性。该工作打破了“越快提取越好”的传统认知，为开发高电压、长寿命的钙钛矿光伏电池提供了关键的界面设计新范式。

参考文献：

Li, M., Yang, Y., Li, S. et al. A molecularly engineered electron-selective self-assembled monolayer enhances quasi-Fermi level splitting in inverted perovskite solar cells. Nat Energy (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41560-026-02025-6