这篇题为“Buried Interface Molecular Hybrid for Inverted Perovskite Solar Cells”的论文，于2024年8月15日发表在学术期刊 Nature 第632卷上。研究团队主要由来自华中科技大学（Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology）、光学与电子信息学院暨武汉光电国家研究中心、武汉理工大学、南方科技大学、牛津大学（University of Oxford）、成均馆大学（Sungkyunkwan University）等多个国内外知名机构的科研人员组成，第一作者包括刘三弯（Sanwan Liu）、李静白（Jingbai Li）、肖文山（Wenshan Xiao）等人，通讯作者为刘宗豪（Zonghao Liu）、朴南圭（Nam-Gyu Park）和陈炜（Wei Chen）。
该研究属于光伏技术，特别是钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）领域。倒置（p-i-n）结构的钙钛矿太阳能电池因其在功率转换效率（Power Conversion Efficiency, PCE）和操作稳定性方面相较于正置（n-i-p）结构更具优势，被视为该技术商业化的重要路径。近年来，得益于自组装分子（Self-Assembled Molecules, SAMs）和钝化策略的发展，倒置PSCs的PCE已超过25%。然而，常用的SAMs，如[4-(3,6-dimethyl-9H-carbazol-9-yl)butyl]phosphonic acid（简称Me-4PACz），存在浸润性差、易团聚等问题，导致界面损失，阻碍了效率和稳定性的进一步提升。因此，本研究旨在开发一种针对倒置PSCs中“埋底界面”（buried interface，即空穴传输层与钙钛矿层之间的界面）的分子杂化策略，以改善界面特性，从而同时实现更高的效率和卓越的稳定性。
研究的核心工作流程整合了理论计算、材料制备、界面与薄膜表征、器件制备与性能测试以及稳定性评估等多个环节，形成了一个闭环的研究体系。
第一阶段：理论设计与筛选。研究始于通过计算模拟来设计最佳的杂化SAMs体系。研究人员首先构建了钙钛矿/SAMs/氧化镍（NiO）异质结的分子模型。他们采用分子动力学模拟，研究了Me-4PACz与三种芳香族羧酸分子——4,4′,4″-硝基三苯甲酸（NA）、苯甲酸（BA）和三甲酸（TA）——在形成混合SAM层时的相互作用。模拟显示，单独的Me-4PACz容易形成二聚体、三聚体甚至四聚体，导致在钙钛矿底部表面形成纳米空隙（nanovoids）。相比之下，将NA或TA引入Me-4PACz层能形成更致密的杂化空穴选择性层（Hole-Selective Layers, HSLs）。其中，NA分子的吸附比例最高，且与Me-4PACz形成的NA-Me二聚体结合能显著高于其他组合，这主要得益于π-π相互作用和氢键的共存。密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算进一步表明，NA-Me二聚体可以有效打破Me-4PACz的四聚体，从而减少其团聚，使其分布更均匀。这部分理论工作不仅预测了NA是最有潜力的共组装分子，还为后续的实验设计提供了明确的指导：即通过分子杂化来改善SAMs的分布均匀性和界面浸润性。
第二阶段：界面与薄膜质量表征。基于理论筛选结果，研究团队在NiO基底上制备了Me-4PACz与NA、BA、TA的混合SAMs（分别记为NA-Me、BA-Me、TA-Me），并系统研究了它们对后续沉积的钙钛矿薄膜（成分为FA0.95Cs0.05PbI3）底部质量的影响。他们采用了一种无损剥离技术来暴露钙钛矿薄膜的底部表面，并用扫描电子显微镜（SEM）进行观察。结果显示，在纯Me-4PACz上生长的钙钛矿底部存在大量纳米空隙，而NA-Me和TA-Me上的钙钛矿底部则呈现出更致密、平滑的形貌，无明显空隙。BA-Me上的情况介于两者之间。这一形貌改善通过截面SEM得到了进一步验证。为了探究薄膜的结晶性，研究进行了掠入射广角X射线散射（Grazing-Incidence Wide-Angle X-Ray Scattering, GIWAXS）测试。结果表明，使用混合SAMs（尤其是NA-Me）显著提高了钙钛矿薄膜在埋底区域的晶体结晶度，表现为（100）衍射峰强度的增强。此外，研究还利用掠入射X射线衍射（GIXRD）结合2θ–sin²ψ方法，定量分析了钙钛矿薄膜底部的残余应力。研究发现，在纯Me-4PACz、BA-Me和TA-Me上生长的薄膜承受拉伸应力，而在NA-Me上生长的薄膜则呈现出轻微的压缩应力，这被认为有利于器件的效率和稳定性。这些实验共同证实，NA-Me杂化策略有效改善了埋底界面的浸润性，消除了纳米空隙，提升了结晶质量，并释放了有害的拉伸应力。
第三阶段：界面能量损失与钝化机理研究。在证实界面形貌与结构得到改善后，研究深入探究了其如何减少非辐射复合等能量损失。X射线光电子能谱（XPS）证实了混合SAMs通过其磷酸基和羧酸基团锚定在NiO表面。开尔文探针力显微镜（KPFM）测量表明，NA-Me样品在清洗前后表面电位变化最小，说明其与NiO表面的结合更牢固、分布更均匀。激光共聚焦荧光寿命成像显微镜显示，基于NA-Me的钙钛矿薄膜底部表面的光致发光寿命均匀性显著提高，表明非辐射复合损失降低。紫外光电子能谱（UPS）和稳态/瞬态光致发光（TRPL）测量表明，NA-Me修饰实现了更有利的能级排列，促进了空穴提取。为了量化非辐射复合损失，研究测量了光致发光量子产率（PLQY）并计算了准费米能级分裂。NA-Me样品获得了最高的PLQY（9.19%）和准费米能级分裂值（1.228 eV），对应的非辐射复合引起的开路电压亏损最小。通过双陷阱能级Shockley-Read-Hall模型对光强依赖的PLQY数据进行拟合，发现NA-Me样品的浅陷阱俘获率和深陷阱非辐射复合率均低于纯Me-4PACz样品，表明其有效抑制了界面和体缺陷。进一步的DFT计算揭示了钝化机理：钙钛矿表面铅空位（Vpb²⁺）缺陷会产生深能级陷阱，而Me-4PACz分子的富电子π环可以指向并钝化该缺陷，部分恢复断裂的I-Pb键，从而降低非辐射复合。
第四阶段：器件制备与光伏性能评估。基于上述优化的NA-Me杂化HSL，研究团队制备了倒置PSCs，器件结构为ITO/NiO/SAMs/钙钛矿/Piperazinium Iodide (PI)/PC61BM/BCP/Ag。电学性能测试表明，基于NA-Me的器件性能全面优于基于纯Me-4PACz、BA-Me和TA-Me的器件。其冠军器件在反向电压扫描下获得了26.69%的最佳效率，开路电压（Voc）高达1.201 V，稳态效率为26.61%。该器件随后被送至中国国家光伏产业计量测试中心进行独立认证，获得了26.54%的认证稳态效率，这是当时倒置PSCs的最高认证效率之一。研究还进行了填充因子损失分析、瞬态光电压和电容-电压测量，均证实NA-Me能有效抑制非辐射复合、改善电荷传输。特别值得一提的是，该策略展现了出色的规模化制备潜力。研究团队成功制备了孔径面积为11.1 cm²的微型组件（mini-module），获得了23.06%的效率，并经上海微系统与信息技术研究所独立认证，效率达22.74%，创造了当时倒置钙钛矿微型组件的最高认证效率纪录。
第五阶段：稳定性评估。最后，研究系统评估了NA-Me策略对器件稳定性的提升。原位光致发光测量显示，在85°C连续激光照射下，基于NA-Me的钙钛矿薄膜的光致发光强度保持稳定，而基于纯Me-4PACz的薄膜则明显衰减。在器件层面，研究按照国际电工委员会IEC 61215:2016标准进行了严格测试。在85°C/85%相对湿度的双85 damp heat测试条件下，封装后的NA-Me基器件在500小时后仍保持了初始效率的97.4%，而对照器件仅剩66.8%。在65°C环境空气中、1个太阳光等效白光LED照射下进行最大功率点跟踪（MPPT）的连续运行稳定性测试中，NA-Me基器件在超过2400小时后仍保持了96.1%的初始效率，展现了卓越的操作稳定性。
本研究的结论是：通过将Me-4PACz与NA分子共组装，形成NA-Me杂化自组装分子层，可以作为一种高效的埋底界面工程策略。该策略从根本上改善了SAMs在NiO表面的分布均匀性和对钙钛矿前驱体的浸润性，从而消除了界面纳米空隙，提升了钙钛矿底部结晶质量，释放了残余应力，最终显著减少了界面非辐射复合损失，优化了能级排列和电荷提取。这使得倒置钙钛矿太阳能电池同时实现了破纪录的高效率（认证稳态效率26.54%）和出色的长期稳定性（MPPT运行2400小时效率保持率>96%），并且该策略与大面积制备工艺兼容，成功制备出高效率微型组件。
本研究的价值与亮点非常突出。科学价值在于，它从分子相互作用的底层逻辑出发，通过巧妙的“分子杂化”概念，为解决钙钛矿太阳能电池中普遍存在的埋底界面难题提供了一个普适性的设计原则，深化了对SAMs界面调控与器件性能关联的理解。应用价值极其显著，该研究不仅将倒置PSCs的效率推向了新的高度，更重要的是通过同步提升效率与稳定性，并验证了其规模化制备的可行性，极大地推动了钙钛矿光伏技术向商业化应用的迈进。研究的亮点包括：1. 创新性的策略：提出了“分子杂化”这一新颖的界面工程思想，而非简单的单一分子修饰或掺杂。2. 多尺度、闭环的研究方法：从理论计算（分子动力学、DFT）预测，到微观界面形貌、晶体结构、应力、能级、缺陷态的全面表征，再到器件性能与稳定性的宏观验证，构成了完整而严谨的证据链。3. 突破性的性能指标：同时实现了单结倒置PSCs的最高认证效率之一和倒置微型组件的最高认证效率，并且稳定性数据在同等高效率报告中非常出色。4. 明确的机理解释：通过计算与实验相结合，清晰地阐明了NA-Me杂化改善界面性能（减少团聚、提高浸润性、钝化缺陷）和减少能量损失（降低非辐射复合）的物理化学机制。5. 强大的工艺兼容性与示范性：研究明确展示了该策略可用于制备高性能大面积组件，为产业转化提供了直接参考。因此，这项工作是一项在钙钛矿太阳能电池领域具有里程碑意义的杰出研究。