【文章信息】【关键词】界面调控分子工程钙钛矿太阳能电池钙钛矿太阳能电池组件自组装单分子层【全文亮点】1.构建合成简便、结构可调的SAM分子体系。研究团队以非对称苯并噻吩并吲哚BTI为核心通过简洁的合成路线引入具有不同电子效应的取代基获得MeO-4PABTI、4PABTI和F-4PABTI三种SAM分子为系统研究分子结构与器件性能之间的关系提供了材料基础。2.实现电子结构与分子排列的协同调控。非对称BTI骨架能够改变分子内部的电荷分布增强分子偶极和电子离域取代基则进一步调节能级及分子间作用。随着取代基吸电子能力增强SAM分子排列更加紧密有序其中F-4PABTI表现出最优的电子结构和堆积形貌。3.赋予SAM调控钙钛矿生长的“模板”功能。BTI基SAM不仅承担空穴传输的作用还能够改善钙钛矿前驱液浸润性增强与钙钛矿前驱体组分的相互作用进而调节成核和晶体生长过程。由此形成的钙钛矿薄膜具有更好的晶体取向、更均匀的晶粒和更良好的埋底界面。4.兼顾高效率、运行稳定性与器件放大。改性SAM通过优化的电子结构和堆积形貌有效地改善钙钛矿薄膜质量并减少了非辐射复合损失使器件获得优异的光伏性能和长期运行稳定性。F-4PABTI还适用于大面积器件、光伏组件及宽带隙钙钛矿体系体现出良好的应用普适性。【全文速览】自组装单分子层已成为反式钙钛矿太阳能电池中重要的空穴传输材料。与传统聚合物或小分子空穴传输层相比SAM具有材料用量少、光学损失低、界面接触紧密及制备工艺简洁等优势。然而以Me-4PACz为代表的常用SAM仍面临分子间作用较弱、偶极矩有限、能级匹配不够理想以及界面调控位点不足等问题。这些不足会影响SAM的覆盖质量和堆积形貌并进一步制约钙钛矿结晶、空穴提取及埋底界面质量。现有研究通常通过添加剂、中间层或共组装分子弥补上述缺陷但这类方法往往增加材料配方和制备流程的复杂性。如何直接从SAM的分子结构设计入手在保持合成简便的同时实现电子结构、分子堆积、钙钛矿结晶和界面接触的同步优化是一种更为直接高效的优化路径。针对这一挑战该研究构建了具有非对称共轭结构的BTI核心并在其末端引入不同电子效应的取代基。非对称扩展共轭骨架能够形成不均匀的电子分布增强分子偶极并促进分子间相互作用取代基调控则进一步精细调控电子结构和堆积形貌。三种分子的对比结果显示F-4PABTI在电子结构、堆积形貌等方面表现出着更优的性质。这种分子层面的优化还会向上影响钙钛矿薄膜的形成。排列有序与钙钛矿前驱体组分作用较强的SAM可作为钙钛矿沉积的底层模板使前驱液在基底上更加均匀地铺展并为晶体成核与生长提供适宜环境。由此获得的钙钛矿薄膜具有更加规整的晶体取向、均匀的晶粒分布和更少的埋底界面孔洞有效改善了薄膜质量。优化后的SAM还能够促进界面电荷转移减少载流子积累并对埋底界面缺陷产生更有效的钝化作用降低了非辐射复合损失。最终基于F-4PABTI的器件在效率、稳定性均表现突出。基于F-4PABTI的小面积器件实现了26.76%的最高光电转换效率1 cm²的器件和655.2 cm²的组件效率分别达到25.38%和20.59%1.84 eV宽带隙器件效率达到17.87%展现出良好的器件放大能力和叠层光伏应用潜力。【图文解析】图1a4PABTI、MeO-4PABTI和F-4PABTI的合成路线b基于DFT计算获得的不同SAM分子的静电势分布和偶极矩c不同SAM分子的电子局域函数图其中数值范围为01接近0的蓝色区域表示较强的电子离域特征接近1的红色区域表示较强的电子局域特征d不同SAM薄膜的KPFM图像。图2.a不同SAM分子二聚体构型的优化几何结构及其π–π堆积距离b不同SAM薄膜沿面外方向的一维GIWAXS积分曲线c不同SAM薄膜的XRD图谱d不同SAM薄膜的XPS C 1s能谱eSAM薄膜形貌优化示意图。图3.aFAI以及FAI分别与MeO-4PABTI、4PABTI和F-4PABTI混合后的¹H NMR谱图b不同SAM分子在FAPbI₃100晶面上的吸附能c基于不同SAM的钙钛矿薄膜在退火过程中的原位UV–Vis吸收光谱d基于不同SAM的钙钛矿薄膜二维GIWAXS图e基于不同SAM的钙钛矿薄膜埋底界面SEM图像。图4.a不同SAM吸附于钙钛矿表面时的差分电荷密度分布及相应的面外积分曲线未修饰钙钛矿薄膜以及经MeO-4PABTI、4PABTI和F-4PABTI修饰的钙钛矿薄膜的XPSbPb 4f和cI 3d能谱基于不同SAM的钙钛矿薄膜的d稳态PL光谱、e时间分辨PL光谱、fPL mapping图以及gPLQY和QFLS。图5.a器件结构示意图b基于不同SAM的冠军器件在模拟AM 1.5G光照下的J–V曲线c近年来基于单一SAM的高性能钙钛矿太阳能电池开路电压和光电转换效率统计d基于不同SAM器件的外量子效率曲线e不同器件在最大功率点下的稳态功率输出f基于不同SAM的20个独立器件的光电转换效率统计g未封装器件在氮气气氛和85 ℃条件下的热稳定性h未封装器件在氮气气氛、25 ± 5 ℃及连续1 sun光照条件下进行最大功率点跟踪的长期运行稳定性i基于F-4PABTI、有效面积为1 cm²器件的J–V曲线j基于F-4PABTI、有效面积为655.2 cm²组件的I–V曲线k基于F-4PABTI的1.84 eV宽带隙器件J–V曲线。【总结展望】该工作以“非对称共轭骨架 可调电子取代基”为核心设计原则将SAM的电子结构、堆积形貌以及与钙钛矿的界面接触纳入同一分子工程框架。其中吸电子取代的F-4PABTI实现了更优的电子结构和堆积形貌并通过与前驱体的增强的相互作用调节钙钛矿结晶最终实现高质量钙钛矿薄膜质量和降低的非辐射复合。从小面积器件到1 cm²、655.2 cm²组件及宽带隙器件的进一步验证说明该分子设计策略具有较好的普适性为高效、稳定反式钙钛矿太阳能电池及组件的SAM材料设计提供了有益的分子工程思路。【欢迎关注】九章算科技有限公司位于四川成都是一家集硕博智慧的科研服务公司。专注于为高校、科研院所、医院、企业等用户提供分子动力学、第一性原理、有限元仿真、量子化学、相图分析、科研绘图、LCA计算以及机器学习等多领域的模拟计算、超算租用、实验测试、论文服务等科研服务。专业模拟计算平台:我们的团队由一群经验丰富、专业高效的硕博工程师组成具备丰富的模拟计算理论知识和实践经验能够为您量身定制最合适的模拟计算方案和定制教学方案。部分团队研究成果已发表在Nature、Joule、AM、ACS、 CEJ等国际顶级期刊与中科大、西安交大、上海交大、厦门大学、北京大学、清华大学、湖南大学、苏州大学、香港理工大学等多所高校建立深度合作致力于推动学术研究和知识发展的前沿。用心服务科研人:我们拥有国家超算中心和实验测试资源高端仪器设备共享互联助力科研生态高效发展。模拟计算优选九章算早计算早见刊有相关需求欢迎关注九章算科研服务。