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研究背景

全钙钛矿串联太阳能电池（TSCs）通过结合宽带隙（~1.80 eV）和窄带隙（~1.25 eV）子电池，被认为是超越单结钙钛矿电池肖克利-奎塞尔（S-Q）极限的下一代光伏技术。

关键问题

目前，全钙钛矿串联太阳能电池的应用主要存在以下问题：

1、SAM分子的自聚合与接触缺陷

由于传统SAM分子间存在过度相互作用（如磷酸基团的单一氢键体系），导致其在成膜过程中极易发生自聚合，产生不均匀的分子排列和微弱的界面接触，进而恶化器件的电荷提取效率。

2、宽带隙界面的非辐射复合损耗

在宽带隙子电池中，透明导电氧化物（TCO）与钙钛矿界面间的电荷提取速度慢且复合损耗高，导致严重的填充因子（FF）和开路电压（V_OC）损失，阻碍了全钙钛矿串联电池效率迈向30%大关。

新思路

有鉴于此，南方科技大学王行柱和徐保民、香港城市大学Alex K.-Y. Jen等人设计了一种基于双咔唑的二聚结构，引入酰胺单元作为双氢键供体和受体，从而在分子内部以及与透明导电氧化物之间形成氢键网络。这种设计促进了分子的均匀排列和能级对齐，最大限度地减少了空穴传输损失并增强了界面稳定性。研究在1.77 eV的PSC中实现了21.56%的效率，开路电压为1.35 V，填充因子为85.76%。该策略也适用于1.56 eV的PSC，实现了26.80%的效率。最显著的是，集成的全钙钛矿串联太阳能电池实现了30.19%的效率（经认证效率为29.38%）。

技术方案：

1、提出了针对氢键网络的分子设计

研究开发了新型二聚体SAM分子AOCzPA，通过C-C键增加空间位阻削弱π-π堆积，酰胺单元形成氢键网络，溶解度显著提高，颗粒尺寸降至95 nm，薄膜呈无定形性质保证界面均匀分布。

2、揭示了分子组装的微观机制

分子动力学模拟显示AOCzPA通过多重氢键形成均匀多层结构，DFT计算证实其与ITO结合能达-15.24 eV，XPS和AFM-IR验证表面电位分布高度均匀，为钙钛矿沉积提供了理想基底。

3、研究了电荷传输行为与界面稳定性

AOCzPA将ITO功函数提升至5.08 eV，能级失配降至0.42 eV，促进空穴快速提取并抑制电子积聚，非辐射复合损失大幅削减，光照后金属铅比例仅4.5%，显著提升界面化学稳定性。

4、评估了单结与串联电池性能

基于AOCzPA的宽带隙单结电池效率达21.56%，全钙钛矿串联电池效率达30.19%（认证29.38%），开路电压2.17 V，光照638小时保持90%效率，证明氢键网络优化策略的巨大潜力。

技术优势：

1、首创了多元氢键网络分子设计

作者通过在二聚咔唑分子（AOCzPA）中引入酰胺基团，成功构建了跨越分子内、分子间及分子-底物界面的协同氢键网络，有效抑制了分子的局部聚集，实现了极高的成膜均匀性。

2、刷新了全钙钛矿串联电池效率纪录

基于新型SAM界面材料，全钙钛矿串联电池实现了超过30%的冠军效率，并在连续光照和热压力下展现出优异的运行稳定性，为钙钛矿光伏商业化提供了新路径。

技术细节

针对氢键网络的分子设计

本研究通过分子工程手段，开发了一种名为AOCzPA的新型二聚体SAM分子。传统分子如4PACz在溶液中极易形成类似胶束的纳米颗粒，导致溶解度差且在TCO基底上分布不均。研究团队基于双咔唑结构引入了具有旋转灵活性的C-C键，这种扭曲的二聚结构增加了空间位阻，从而削弱了分子间不必要的π-π堆积。核心创新在于酰胺单元（-CO-NH-）的引入，它同时具备氢键供体和受体功能，能与磷酸基团形成协同的氢键网络。实验显示，AOCzPA在乙醇中的溶解度显著提高，动态光散射测得其颗粒尺寸从4PACz的186 nm降低至95 nm，表明自聚合现象得到显著抑制。此外，XRD和冷冻电镜观察证实AOCzPA膜呈现出无定形性质，这种特性阻碍了分子的长程有序排列，进一步保证了分子在界面上的均匀分布和良好的导电性。

图  自组装膜的分子设计、光电子学和结构特性

氢键网络调控的分子组装

为了揭示分子组装的微观机制，研究者进行了分子动力学（MD）模拟。模拟结果显示，4PACz和4BCzPA由于磷酸基团间的强单一相互作用，在组装过程中会出现明显的分子聚集和相位分离，甚至在ITO表面留下纳米级空洞。相比之下，AOCzPA分子通过多重氢键位点建立了紧密的分子间连接，形成了高度均匀的多层结构。密度泛函理论（DFT）计算进一步证明，AOCzPA与ITO表面具有更强的结合能（-15.24 eV），这是磷酸锚定与酰胺介导氢键协同作用的结果。实验通过高分辨率XPS和AFM-IR成像验证了这一结论，AOCzPA包覆的底物展现出极小的原子比例波动和高度均匀的表面电位分布，其电位均方根（Rq）显著低于对照组，为高质量钙钛矿薄膜的沉积提供了平整且覆盖完整的基底。

图  分子组装的理论与实验分析

电荷传输行为与界面稳定性

在光电性能方面，AOCzPA显著优化了空穴的提取与传输效率。UPS测量显示，AOCzPA改性后的ITO功函数提高至5.08 eV，且与钙钛矿间的能级失配（ΔEh）从0.92 eV骤降至0.42 eV，这种更优的能级对齐促进了界面处的空穴快速提取并防止了电子积聚。超快瞬态吸收光谱（fs-TAS）证实AOCzPA/钙钛矿界面具有最快的载流子衰减速度，直接证明了其卓越的空穴提取能力。同时，由于AOCzPA实现了物理上的紧密接触和化学上的缺陷钝化，界面处的非辐射复合损失被大幅削减。老化实验后的XPS分析显示，AOCzPA基底上的钙钛矿表面生成的金属铅（Pb0）比例仅为4.5%，远低于对照组，这表明该分子能有效抑制光照下的界面降解反应，显著提升了器件的界面化学稳定性。

图  载体行为的表征

单结与串联电池性能

性能评估结果显示，基于AOCzPA的宽带隙（1.77 eV）单结电池实现了21.56% 的效率，且在连续运行600小时后仍保持90%的初始性能。该器件的V_OC与FF之积接近S-Q极限，代表了目前该带隙范围内的最高水平。研究随后将该策略应用到全钙钛矿串联电池中，构建了FTO/SAMs/宽带隙顶电池/复合层/窄带隙底电池的结构。冠军串联电池实现了 30.19% 的效率（认证效率 29.38%），其开路电压高达2.17 V。这是目前已报道的全钙钛矿串联电池中效率最高的纪录之一。稳定性测试表明，封装后的器件在N₂环境中连续光照638小时后仍能保持90%的效率，甚至在85°C暗处存储868小时后仍维持约72%的性能，充分证明了这种通过氢键网络优化界面接触的策略对于实现高效、长寿命全钙钛矿光伏电池的巨大潜力。

图  单结和串联电池的器件性能

展望

本研究通过理性的分子结构设计，在自组装单分子层中成功引入酰胺基团以构建多元氢键网络，解决了SAM材料长期存在的聚集和界面接触不均问题。该策略不仅显著提升了宽带隙钙钛矿电池的空穴提取效率和界面稳定性，更助力全钙钛矿串联太阳能电池突破了30%的效率大关。这一成果为进一步优化钙钛矿异质结界面、推动串联电池技术走向实用化提供了重要的科学依据和技术支持。

参考文献：

Wang, D., Liu, Z., Gao, ZW. et al. Self-assembled molecules with hydrogen-bond networks enable efficient all-perovskite tandem solar cells. Nat Energy (2026). 

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