论文概览
针对钙钛矿/硅叠层太阳电池在规模化制备过程中，自组装单分子层（SAM）因分子团聚导致界面覆盖不均、电荷提取受限的关键瓶颈，南京大学谭海仁教授团队联合北京理工大学、仁烁光能等单位，创新性提出分子骨架扭曲设计策略。该研究通过设计一种基于二甲基吖啶骨架的新型SAM分子——Ph-DMAcPA，利用其非共面结构抑制分子间π-π堆积，显著提升了其在ITO衬底上的分散均匀性与锚定稳定性。在器件结构方面，团队将该SAM应用于宽带隙（1.68 eV）钙钛矿顶电池的埋底界面，并结合工业化兼容的刮涂工艺，成功实现了从小面积到大面积器件的性能跃迁。最终，该策略使单结钙钛矿组件取得19.1%的认证效率（ aperture area 783.7 cm²），钙钛矿/硅叠层电池在1.163 cm²面积上取得32.4%的认证效率，在16 cm²面积上取得28.12%的认证效率，并首次在大面积叠层器件中展现出优异的运行稳定性。该研究以“Homogeneously distributed self-assembled molecules for efficient and scalable perovskite/silicon tandem solar cells”为题发表于顶级期刊Joule。
技术亮点
分子扭曲设计：通过在SAM骨架中引入二甲基吖啶核心与苯基取代基，构建非共面分子结构，有效抑制传统咔唑类SAM的分子团聚，提升溶液分散性与成膜均匀性。
均匀界面覆盖：Ph-DMAcPA在ITO表面形成各向同性、无针孔的单分子层，显著抑制埋底界面非辐射复合，提升钙钛矿结晶质量与电荷提取效率。
大面积工艺兼容：该SAM可适配刮涂与狭缝涂布工艺，在16 cm²叠层器件和783.7 cm²单结组件中均实现高效率与高重复性。
卓越运行稳定性：封装后的叠层器件在1-sun光照、MPPT追踪下运行1100小时后仍保持96.2%初始效率，热循环与湿热老化测试中均优于对照器件。
研究意义
✅突破大面积效率瓶颈：首次在16 cm²钙钛矿/硅叠层器件中实现28.12%认证效率，单结组件效率达19.1%（783.7 cm²），为该类组件最高值。
✅建立分子设计新范式：提出“分子扭曲抑制团聚”的SAM设计原则，为高效、可量产的空穴传输界面材料提供了新思路。
✅推动叠层电池产业化：该策略与刮涂、狭缝涂布等工业化工艺高度兼容，为钙钛矿/硅叠层电池的规模化制造奠定基础。
✅提升器件运行可靠性：在MPPT、热循环、湿热等多项老化测试中展现出优异稳定性，满足光伏产品长期使用需求。
深度精读
图1（Fig. 1 | Ph-DMAcPA分子设计、聚集抑制与ITO表面均匀分布表征）该图展示了新型自组装单分子层（SAM）材料 Ph-DMAcPA 的分子结构设计原理及其在氧化铟锡（ITO）衬底上的均匀分散效果，DFT 计算显示其二甲吖啶核心具有扭曲二面角（108.2°）且苯环取代基进一步破坏平面性，有效阻断了传统咔唑类 SAM（如 Me-4PACz）的长程 π-π 堆积导致的不利聚集，动态光散射（DLS）证实 Ph-DMAcPA 水动力直径（~91.3 nm）远小于 Me-4PACz（~459 nm），拉曼 Mapping 与偏振拉曼显示 Me-4PACz 存在明显分子簇且信号具角度依赖性而 Ph-DMAcPA 呈各向同性均匀分布，分子动力学（MD）模拟也直观表明 Ph-DMAcPA 在 ITO 表面吸附更分散、聚类程度更低，结合静电势（ESP）分析显示其更大的偶极矩（1.98 D）有利于下调衬底费米能级，综上证明扭曲骨架设计成功抑制了分子团聚并促进 SAM 在界面的均一单层组装。图2（Fig. 2 | SAM 耐溶剂锚定稳定性、ITO 表面覆盖度及钙钛矿薄膜均匀性）该图考察了 Ph-DMAcPA 与参照物 Me-4PACz 在钙钛矿旋涂常用极性溶剂（DMF:DMSO）冲洗下的锚定稳定性及由此影响的钙钛矿成膜质量，开尔探针力显微镜（KPFM）显示 Me-4PACz 经混合溶剂冲洗后表面电势与接触电位差明显漂移且分布不均，表明分子部分脱附，而 Ph-DMAcPA 表面电势基本不变说明锚定牢固，XPS O 1s 谱中 In-O-P/In-O-H 峰面积占比（26.91% vs 17.25%）证实 Ph-DMAcPA 覆盖率更高，UPLC 洗脱液检测也佐证其不易被极性溶剂洗脱；在此基础上，PL 显微镜 Mapping 显示沉积于 Ph-DMAcPA/ITO 上的钙钛矿薄膜发光强度分布标准差由 7.8% 降至 5.5%，表明均匀 SAM 模板引导了更均一的钙钛矿结晶与更少的埋底界面缺陷。图3（Fig. 3 | 钙钛矿埋底界面形貌、能级排列、载流子动力学及单结器件性能）该图揭示了均匀 SAM 对钙钛矿埋底界面微观结构、能级匹配及器件光伏参数的影响，机械剥离 SEM 显示 Ph-DMAcPA 基底上钙钛矿埋底界面晶粒更大（~1 μm）、针孔更少，截面 SEM 见纵向贯穿大晶粒减少了晶界，UPS 表明 Ph-DMAcPA 将 ITO 功函数由 -4.57 eV 降至 -5.05 eV 且钙钛矿价带与 SAM HOMO 能级失配仅 0.13 eV（小于 Me-4PACz 的 0.51 eV），有利于空穴提取并减少热损失，TRPL Mapping 与寿命拟合显示 Ph-DMAcPA 组非辐射复合受抑、平均载流子寿命延长（415.1 ns vs 370.8 ns）；相应 0.049 cm² 单结器件获冠军 PCE 22.82%（Voc=1.284 V，FF=84.2%），参数分布更集中重复性更好，且基于 Ph-DMAcPA 的 783.7 cm² 大型组件达纪录 PCE 19.1%，验证了均匀 SAM 分布对放大面积器件性能的关键作用。图4（Fig. 4 | 钙钛矿/硅叠层器件结构、效率及稳定性评估）该图呈现了以 Ph-DMAcPA 为空穴传输层的单片钙钛矿/硅叠层太阳电池的光伏表现与长期可靠性，1.163 cm² 活性面积叠层器件获反向扫描 PCE 32.6%（认证 32.4%，Voc=2.01 V，Jsc=20.1 mA cm⁻²，FF=80.9%）且批次重复性优于 Me-4PACz 对照组，外量子效率（EQE）积分电流匹配良好，16 cm² 大面积叠层器件也获 29.4%（认证 28.12%）；稳定性测试中，-40~85°C 热循环 250 次后保留 92.2% 初始效率（对照组 130 圈后跌至 64%），65°C 及常温 1-sun 最大功率点追踪（MPPT）分别显示 800 h 后保留 97.6% 和 1100 h 后保留 96.2%（对照组 248 h 后跌至 83.1%），表明扭曲骨架 SAM 凭借抗聚集特性和强三齿锚定显著提升了埋底界面热/溶剂耐受性及叠层器件运行寿命。结论展望
本研究通过分子骨架扭曲设计，成功开发出一种新型SAM材料Ph-DMAcPA，从根本上抑制了传统咔唑类SAM的分子团聚问题，实现了大面积、高效率、高稳定性的钙钛矿/硅叠层太阳电池。32.4%（1.163 cm²）与28.12%（16 cm²）的认证效率，以及19.1%的大面积单结组件效率，标志着SAM工程在叠层电池可量产化道路上迈出了关键一步。该工作不仅为SAM材料设计提供了“抑制团聚”的新范式，也为钙钛基叠层电池的工业化制造提供了切实可行的解决方案。展望未来，随着分子工程的进一步优化、涂布工艺的成熟以及器件结构的持续创新，钙钛矿/硅叠层电池有望在效率、成本与寿命之间实现全面平衡，推动光伏技术迈向“30%+量产时代”。
文献来源
Zhao, L., Chu, Z., Yang, S., et al. Homogeneously distributed self-assembled molecules for efficient and scalable perovskite/silicon tandem solar cells.Joule(2026).
https://doi.org/10.1016/j.joule.2026.102492
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