两所香港高校合作，Nature Energy！

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

研究背景

钙钛矿太阳能电池（PSCs）的认证光电转换效率（PCE）已接近27%，但在外部刺激下的长期稳定性仍是商业化的核心瓶颈。

关键问题

目前，PSCs的稳定性研究主要存在以下问题：

1、空穴传输层界面锚定不牢

现有的自组装单分子层（SAM）往往难以在基底上形成均匀稳定的锚定，且强聚集倾向导致的界面非均匀性会产生分流路径，促进离子迁移，限制了器件寿命。

2、反向偏压耐受性极其有限

传统基于SAM的器件反向击穿电压通常仅为-1至-2 V，远低于硅基旁路二极管方案所需的-15至-20 V阈值，导致器件在实际运行（如局部遮蔽）中极易损坏。

新思路

有鉴于此，香港中文大学Martin Stolterfoht、香港城市大学Alex K.-Y. Jen、黄晓锋等人结合了 CbzNaph 及其羟基功能化类似物 CbzNaphOH（通过分子内氢键调节分子堆积），利用位阻效应促进了具有均匀堆积的非晶自组装多层膜（a-SAMUL）的形成。这种非晶层作为强效粘合介质紧密耦合钙钛矿与基底，在抑制移动离子形成的同时，提供了有利的能级对齐。基于 a-SAMULs 的器件认证效率超过 26%，反向击穿电压超过 -17 V，且在连续运行 3,000 小时后性能几乎无衰减，为增强钙钛矿光伏的长期可靠性提供了有效策略。

技术方案：

1、优化了空穴选择性界面

 研究团队对比多种空穴传输材料，发现CbzNaphOH复合自组装多层膜显著降低离子损失，NiO_x/co-SAMUL配置实现26.3%认证效率。

2、揭示了多层膜从结晶态向非晶态转化的微观物理机制

CbzNaphOH分子内氢键形成"构型锁定"，打破了长程有序排列形成非晶聚集体，增强了机械粘附力和界面完整性。

3、探讨了非晶多层膜对界面能级和电荷复合的影响

 a-SAMUL诱导平缓能级梯度，抑制了载流子积聚，提升准费米能级分裂和非辐射复合寿命，显著降低了界面复合速率。

4、评估了a-SAMUL器件的长期可靠性

 a-SAMUL器件展现极强耐久性，光照3000小时无衰减，热老化500小时保持89%效率，反向偏压测试阻断离子扩散，实现了超过-17 V击穿电压。

技术优势：

1、提出非晶多层膜策略实现了双向强效粘附

研究创新性提出非晶自组装多层膜（a-SAMUL）策略，通过分子内氢键诱导的构型锁定抑制过度结晶，实现了钙钛矿、多层膜与基底之间均匀且坚固的机械耦合。

2、大幅提升了反向偏压稳定性与效率

器件不仅实现了 26.3% 的认证效率，更将反向击穿电压提升至创纪录的 -17 V 以上，成功解决了环保型钙钛矿电池在极端偏压下的失效难题。

技术细节

空穴选择性界面的优化与离子损失抑制

研究团队系统对比了聚合物（PTAA）、无机物（NiO_x）及多种咔唑基SAM对离子迁移的影响，发现传统SAM由于分子堆积松散，无法完全覆盖基底，导致离子诱导损失（L_ion）较高（如4PACz达23.3%）。而具有π扩展单元的CbzNaph通过增强π–π叠堆形成了自组装多层膜（SAMUL），初步降低了离子损失并提升了PCE。为进一步解决CbzNaph在高浓度下聚集不均的问题，研究者引入了含羟基的CbzNaphOH与之形成复合膜（co-SAMUL）。实验表明，这种非晶态的a-SAMUL不仅提高了空穴选择性，还显著降低了由电场屏蔽引起的离子损失（降至5.7%）。最终，NiO_x/co-SAMUL配置实现了26.3%的认证转换效率，并展示了在不同带隙钙钛矿材料中的广泛适用性。

图  高性能光子晶体管空穴选择性接触的优化

分子堆积机制与氢键诱导的非晶化

通过XRD、GIWAXS和NMR分析，研究揭示了多层膜从结晶态向非晶态转化的微观物理机制。CbzNaph在薄膜中表现出高结晶性的不均匀聚集，而CbzNaphOH及其复合膜则表现出明显的非晶态特征。DFT计算显示，CbzNaphOH中羟基与磷酸基团之间形成的分子内氢键产生了一种“构型锁定”效应，限制了分子的柔性并显著增加了相邻芳香单元间的π–π间距。在这种作用下，分子原本的长程有序排列被打破，转而形成分布均匀的非晶聚集体。这种非晶结构显著增强了界面层的双向机械粘附力，且其高表面密度和均匀覆盖率有效阻止了加工过程中的溶剂侵蚀，确保了钙钛矿薄膜的生长的界面完整性。

图  连接器设计引起的SAMUL堆叠差异研究

界面能级排列与载流子输运动力学

研究利用UPS深度剖析和PLQY测量，探讨了非晶多层膜对界面能级和电荷复合的影响。结果显示，a-SAMUL在钙钛矿界面处诱导出平缓的能级梯度，有效减小了空穴提取能垒并调节了界面电势，从而抑制了少数载流子的积聚和场屏蔽效应。a-SAMUL半叠层器件表现出更高的准费米能级分裂（1.224 eV）和更长的非辐射复合寿命（2311 ns），证明界面缺陷得到了高效钝化。漂移扩散（DD）模拟与实验高度契合，证实a-SAMUL通过优化双向分子接触和能量梯度，显著提升了器件的开路电压（Voc），并将界面复合速率降至极低（约1 cm s^-1），从而实现了效率与稳定性的同步飞跃。

图  自组装多层膜的双向界面接触及其界面能学

反向偏压耐受性与长期可靠性评估

a-SAMUL器件在严苛环境下展现了极强的耐久性：连续光照MPP跟踪3000小时性能无衰减，85°C热老化500小时保持89%效率。在核心的反向偏压测试中，a-SAMUL通过形成致密的物理屏障和稳定的界面耦合，显著阻断了碘离子向电极的扩散，避免了c-SAMUL器件中常见的填充因子骤降现象。结合金电极和SnOx缓冲层，器件实现了超过-17 V的平均反向击穿电压，这使其能直接兼容现有的硅基旁路二极管保护方案。BACE测试进一步证实a-SAMUL层下的移动离子密度显著降低。该工作确立了界面非晶化工程在同时提升钙钛矿电池效率、运行稳定性和反向偏压耐受性方面的巨大潜力。

图  光伏器件的稳定性评估

图  反向偏压条件下移动的离子迁移分析

展望

本文证明了界面分子接触质量是决定钙钛矿电池离子稳定性的关键因素。通过引入分子内氢键调控分子堆积，构建的非晶自组装多层膜（a-SAMUL）实现了界面处的强力双向粘附与优化能级对齐，从而显著抑制了极端偏压下的离子迁移。该策略不仅实现了26.3%的超高认证效率，更突破性地解决了反向击穿电压不足的难题（达-17 V），为高效率、高可靠性钙钛矿光伏组件的工业化应用扫清了界面不稳定的技术障碍。

参考文献：

Feng, Q., Liu, KK., Wang, D. et al. Amorphous self-assembled multilayers for perovskite solar cells with improved reverse bias stability. Nat Energy (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41560-026-02015-8