南京工业大学秦天石最新Angew:硫调控的全共轭自组装单分子层用于反式钙钛矿太阳能电池的协同双界面优化

创新点

1. 提出硫调控策略构筑高性能全共轭SAMs，实现ITO/钙钛矿双界面协同优化：通过取代基调控（将甲氧基替换为甲基硫基）和连接基调整（引入噻吩单元），成功设计合成了两种硫调控的全共轭自组装单分子层SMe-TPA-PA和SMe-TPA-ThPA。该策略兼具多重优势：甲基硫基通过S···Pb²⁺轨道耦合增强了对钙钛矿埋底界面缺陷的钝化能力；噻吩连接基延伸了分子的π共轭体系，不仅强化了分子间π-π相互作用，使SAM在ITO上覆盖更均匀稳定，还优化了与钙钛矿的能级对齐，提升了空穴提取效率。

2. 揭示了SAM分子结构、界面特性与器件性能之间的构效关系：通过系统的DFT计算、表面表征（UPS、KPFM、AFM）和界面分析（XPS、接触角、SEM），阐明了分子设计如何影响SAM的聚集形态、表面能、功函数以及与钙钛矿的化学相互作用。研究表明，SMe-TPA-ThPA凭借其噻吩连接基和双硫位点，形成了最均匀、最致密的单分子层，实现了最优的能级对齐（与钙钛矿VBM仅差0.04 eV）和最強的界面吸附，从而为高性能器件奠定了基础。

3. 基于SMe-TPA-ThPA的倒置钙钛矿太阳能电池实现了高效率与高运行稳定性：得益于上述协同界面优化，基于SMe-TPA-ThPA的冠军器件获得了26.52%的功率转换效率，其开路电压（1.191 V）和填充因子（86.37%）在1.54 eV带隙的倒置器件中处于领先水平。更重要的是，器件展现出卓越的运行稳定性，在氮气环境中连续光照最大功率点追踪1700小时后仍保持91.8%的初始效率，在65°C连续热老化1700小时后保持91.2%的初始效率。

未来展望

1. 拓展硫调控分子设计库并探索其普适性：未来可系统研究甲基硫基取代位点、数量以及其他硫相关官能团（如硫醚、砜等）的影响。同时，将此硫调控策略与更多样的共轭连接基（如呋喃、硒吩）和锚定基团相结合，构建更丰富的SAMs分子库，并探索其在宽带隙钙钛矿、锡基钙钛矿乃至有机太阳能电池等其他光电器件中的通用性。

2. 深入探究界面稳定性的微观机理与极限工况下的衰减路径：需要借助更深入的原位或工况表征技术（如原位XPS、漂移扩散模拟、高温/高湿耦合测试），阐明S···Pb²⁺相互作用的长期演化规律，以及SAM层本身在持续光照、热应力和电场下的化学稳定性。明确界面降解的初始步骤和主导因素，为设计“防失效”界面分子提供指导。

3. 推动面向产业化的材料合成与大面积制备工艺开发：当前研究集中于实验室小面积器件。未来工作需致力于优化SMe-TPA-ThPA等分子的合成路径，降低成本与提纯难度。同时，开发与大面积涂布工艺（如狭缝涂布）兼容的SAM沉积方法，研究其在钙钛矿/硅叠层电池底部子电池中的应用，并评估其在模组级别的性能和稳定性，加速其商业化进程。