Academic Report on the Study Published in “Nature Energy”

作者与发表信息

该研究由 Bitao Dong, Mingyang Wei, Yuheng Li, Yingguo Yang, Wei Ma, Yueshuai Zhang, Yanbiao Ran, Meijie Cui, Ziru Su, Qunping Fan, Zhaozhao Bi, Tomas Edvinsson, Zhiqin Ding, Huanxin Ju, Shuai You, Shaik Mohammed Zakeeruddin, Xiong Li, Anders Hagfeldt, Michael Grätzel 和 Yuhang Liu 等多位作者合作完成，主要隶属于 Xi’an Jiaotong University, National University of Singapore 和 École Polytechnique Fédérale de Lausanne 等多家顶尖研究机构。研究成果发表在国际顶级期刊《Nature Energy》，文章 DOI 为 https://doi.org/10.1038/s41560-024-01689-2。

学术背景

近年来，大量研究集中于钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs），主要得益于其卓越的光电转换效率（Power Conversion Efficiency, PCE）和低成本的能源生产。然而，钙钛矿电池的市场化应用受到长时间稳定性不足的制约，特别是在温度应力及大气湿度变化下容易降解。传统硅基光伏行业已发展出基于 IEC 61215:2021 标准的一系列环境应力测试，如湿热测试（85°C，85% 湿度）和热循环测试（-40°C 至 85°C）。相比之下，钙钛矿太阳能电池在这些苛刻条件下的耐受性能还有待改进。

过去的研究表明，自组装单分子层（Self-Assembled Monolayers, SAMs）作为空穴选择性接触材料，可以显著增强 PSC 的性能和稳定性。然而，SAMs 的热稳定性较差，在65°C以上易于解吸，导致界面机械稳定性差。因此，本研究的目标是开发一种新型自组装双分子层（Self-Assembled Bilayer, SAB），以提升钙钛矿太阳能电池在极端温度差异和湿热条件下的稳定性，并同时优化其光伏性能。

研究流程与方法

1. 研究设计与双分子层开发

研究采用了基于 Friedel–Crafts 烷基化反应的金属催化自由化学反应方法。研究团队选择了 2-(9H-Carbazol-9-yl)ethyl phosphonic acid（简称 2PACz）作为基础层，并通过将其与一种新型上层材料 4,4’,4”-Tris(acetoxymethylene)triphenylamine（简称 TATPA）连接形成自组装双分子层（SAB）。这一分子网络通过共价连接，能够形成在相对高温下（100°C，200小时）抗热降解的坚固结构。

通过对 2PACz 分子与 TATPA 分子的表面反应，研究系统考察了不同界面材料的化学稳定性。实验通过溶液旋涂技术将这些分子沉积在导电氧化锡（Indium Tin Oxide, ITO）表面，随后通过热退火在固态反应中实现上层 TATPA 与底层 2PACz 的耦合。

2. 化学与分子学表征

研究采用了多种化学与分子学表征工具：

• 时间飞行次级离子质谱仪（TOF-SIMS）：确认了 SAB 系统中共价交联的化学产物的存在，并验证了 Friedel–Crafts 耦合形成 C–C 键。
  
• 傅里叶红外光谱（ATR-FTIR）：显示了 TATPA 分子中的酯基在热退火后分解，与 2PACz 残留的 P–OH 基团反应形成交联网络。
  
• 核磁共振（NMR）：通过检测特征氢原子信号进一步验证了在 SAB 结构中存在的 Friedel–Crafts 烷基化的分子特性。

3. 性能与界面稳定性测试

研究通过多种方法对 SAB 的热性能、机械性能和电子性能进行考察。

• 热稳定性测试：通过凯尔文探针显微镜（KPFM）和循环伏安法（CV），发现 SAB 的分子覆盖率在100°C 热退火情况下仅减少了32%，显著优于单层 SAM 的53%下降。
  
• 界面黏附力和裂纹抗性：采用双悬臂梁（DCB）测试，其结果表明 SAB 钙钛矿界面的平均黏附能提升了74%，表现出对热循环应力的更高抵抗力。
  
• 光电性能测试：通过稳态光功率输出（SPO）和光电流密度–电压曲线（J–V），SAB 实现了高达26.3%的光电转化率，较 SAM 设备的24%有显著提高。

4. 长期环境稳定性评估

研究采用国际标准 IEC 61215:2021 进行湿热和热循环测试。SAB 设备在湿热条件下（85°和85%湿度）运行2000小时，只损失了不到4%的效率，在热循环（-40°C 至 85°C 的1200个循环）中效率损失低于3%，表现出优越的长期运行可靠性。

研究结果

1. SAB 的高热稳定性：在100°C 热退火200小时后，SAB 保持了良好的均匀性，表现出显著的耐热性能。
   
2. 界面机械增强：SAB 显著提升了钙钛矿与分子接触层之间的黏附强度，高达2.68 J/m²。
   
3. 光伏性能优化：SAB 电池的光电转化效率达到了26.3%，同时展现了极低的迟滞效应。
   
4. 耐受严苛环境测试：SAB 在大气湿热和温差条件下的可靠性远超单层 SAM 技术，为钙钛矿太阳能电池商业化树立了新标杆。
   

研究价值与意义

这项研究开发出了一种通过 Friedel–Crafts 烷基化反应构造 SAB 的新型分子工程策略，不仅显著提高了钙钛矿太阳能电池的热与机械稳定性，还令设备达到了超过26%的世界领先光电效率。

从科学意义来看，该方法为应对钙钛矿电池界面不稳定的难题提供了系统性的新思路；从应用价值来看，SAB 技术的稳定性提升将极大推动钙钛矿电池在实际市场中的应用普及。

研究亮点

1. 首次在钙钛矿领域实现通过 Friedel–Crafts 化学构建自组装双分子层，建立了稳定的钙钛矿界面结构。
   
2. 制备的 SAB 电池在效率和可靠性上达到了当前技术的顶峰，验证了其兼具实验室与工业化条件的双重适应性。
   
3. 本研究率先依据 IEC 61215 国际标准开展钙钛矿电池测试，为未来行业规范研究树立了榜样。