特別說明：本文由米測(cè)技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識(shí)。因?qū)W識(shí)有限，難免有所疏漏和錯(cuò)誤，請(qǐng)讀者批判性閱讀，也懇請(qǐng)大方之家批評(píng)指正。
原創(chuàng)丨米測(cè)MeLab
編輯丨風(fēng)云
研究背景
鈣鈦礦太陽能電池代表了一類有希望的光伏應(yīng)用，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到了出色的性能。基于分子的選擇性接觸（MSC）已成為在鈣鈦礦太陽能電池中達(dá)到高功率轉(zhuǎn)化效率（PCE）的關(guān)鍵成分。
關(guān)鍵問題
然而，目前鈣鈦礦電池的應(yīng)用主要存在以下問題：
1、目前鈣鈦礦電池存在界面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足的問題
當(dāng)前用于構(gòu)建MSC的有機(jī)分子在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出較差的穩(wěn)定性。這些分子在外部刺激下容易發(fā)生相變或結(jié)構(gòu)崩潰，導(dǎo)致界面結(jié)構(gòu)的有序排列被破壞，從而限制了鈣鈦礦電池的長期耐用性。
2、載流子選擇性和運(yùn)輸效率存在平衡難題
雖然擴(kuò)展的共軛核心和π-π相互作用有助于實(shí)現(xiàn)高效的載流子運(yùn)輸，但這些特性也使得分子排列傾向于結(jié)晶化，進(jìn)一步增加了結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性。因此，如何在保持載流子選擇性和運(yùn)輸效率的同時(shí)，增強(qiáng)界面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以提高鈣鈦礦太陽能電池的功率轉(zhuǎn)化效率（PCE）和長期耐用性，仍然是一個(gè)亟待解決的挑戰(zhàn)。
新思路
有鑒于此，浙江大學(xué)楊德仁院士、薛晶晶、鄧天琪以及西湖大學(xué)王睿等人證明了與正交π骨架的分子接觸，該分子與常用的共軛核表現(xiàn)出對(duì)外部刺激更好的彈性。該分子設(shè)計(jì)產(chǎn)生了無序的無定形結(jié)構(gòu)，不僅高度穩(wěn)定，而且表現(xiàn)出非凡的電荷選擇性和運(yùn)輸能力。用這種正交π-骨架分子制造的鈣鈦礦太陽能電池在加速年齡測(cè)試中表現(xiàn)出增強(qiáng)的長期耐用性。這種正交π-骨架功能為有機(jī)電子應(yīng)用的分子設(shè)計(jì)開辟了新的機(jī)會(huì)。
技術(shù)方案：
1、通過引入正交π-骨架誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)無序
作者設(shè)計(jì)了新型分子SAX，其正交π骨架結(jié)構(gòu)導(dǎo)致分子高度無序堆積，有效避免了分子結(jié)晶，為鈣鈦礦太陽能電池的分子設(shè)計(jì)提供了新思路。
2、對(duì)比了4PACz和SAX薄膜在不同外部刺激下的結(jié)構(gòu)和電荷傳輸穩(wěn)定性
作者對(duì)比了4PACz和SAX薄膜在高溫和機(jī)械應(yīng)力下的穩(wěn)定性。結(jié)果顯示，4PACz易聚集且電導(dǎo)率下降，而SAX因正交π骨架的無序結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性和電荷傳輸能力，表面形貌和電導(dǎo)率保持穩(wěn)定，具有更好的應(yīng)用前景。
3、評(píng)估了使用SAX作為MSC的鈣鈦礦太陽能電池的性能
作者證實(shí)了使用SAX作為MSC的鈣鈦礦太陽能電池在性能和穩(wěn)定性上顯著優(yōu)于傳統(tǒng)4PACz，實(shí)現(xiàn)了25.1%的PCE， FF達(dá)到83.4%。
技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
1、創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了具有無序無定型結(jié)構(gòu)的正交π骨架的分子結(jié)構(gòu)
作者開發(fā)了一種具有正交π骨架的分子結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出高度無序的無定形特性，能夠更好地適應(yīng)外部壓力和刺激，不僅提高了鈣鈦礦太陽能電池的長期耐用性，還在加速老化測(cè)試中表現(xiàn)出顯著的性能優(yōu)勢(shì)。
2、設(shè)計(jì)的分子結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出卓越的電荷選擇性和運(yùn)輸能力
作者設(shè)計(jì)的正交π骨架分子不僅在電荷傳輸方面表現(xiàn)出色，還能在實(shí)際應(yīng)用中維持高效的功率轉(zhuǎn)化效率（PCE）。無定形MSC的鈣鈦礦太陽能電池在50°C下運(yùn)行超過2500小時(shí)后，仍能保持超過90%的初始PCE。
技術(shù)細(xì)節(jié)
正交π-骨架誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)無序
作者設(shè)計(jì)并合成了一種新型分子（SAX），用于構(gòu)建鈣鈦礦太陽能電池中的選擇性接觸。與常用的基于咔唑共軛核的分子（4PACz）不同，SAX引入了正交π共軛單元，導(dǎo)致分子半體幾乎垂直排列。在ITO玻璃基板上加工成薄膜時(shí)，4PACz表現(xiàn)出明確的XRD峰，表明其分子長程有序堆積，而SAX膜則沒有明顯衍射峰，表明其分子堆積高度無序。偏振相關(guān)的拉曼光譜分析也顯示，4PACz具有各向異性，而SAX的分子骨架相對(duì)隨機(jī)排列。此外，SAX在界面處的分子堆積有序性顯著降低，進(jìn)一步證實(shí)了其高度無序的非晶相特性。這種設(shè)計(jì)有效阻止了分子的有序自堆疊和結(jié)晶，為鈣鈦礦太陽能電池的分子設(shè)計(jì)提供了新的思路。
圖 分子設(shè)計(jì)和堆疊行為
增強(qiáng)對(duì)外界刺激的抵抗力
作者通過AFM、MD模擬、XRD、表面增強(qiáng)拉曼光譜（SFG-VS）和導(dǎo)電原子力顯微鏡（c-AFM）等多種技術(shù)，對(duì)比了4PACz和SAX薄膜在不同外部刺激下的結(jié)構(gòu)和電荷傳輸穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，4PACz薄膜在高溫老化和機(jī)械應(yīng)力下易出現(xiàn)分子聚集和電導(dǎo)率下降，而SAX薄膜由于其無序的正交π骨架結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出更高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電荷傳輸能力。具體而言，4PACz薄膜在65°C老化400小時(shí)后出現(xiàn)明顯聚集，而SAX薄膜表面形貌幾乎不變。機(jī)械應(yīng)力測(cè)試表明SAX顯示出更好的機(jī)械應(yīng)力抵抗力。MD模擬顯示，4PACz分子在退火后易聚集，π-π堆疊被破壞，而SAX分子的無序堆積模式在退火后保持不變。XRD和SFG-VS進(jìn)一步證實(shí)了SAX薄膜在長時(shí)間暴露于激光束下結(jié)構(gòu)無序性的持續(xù)性。c-AFM測(cè)量表明，SAX薄膜具有更高的電荷傳輸能力，且在機(jī)械應(yīng)力下電導(dǎo)率保持穩(wěn)定，而4PACz薄膜電導(dǎo)率顯著下降。UPS結(jié)果顯示，SAX薄膜具有更明顯的p型特性，表面電位分布更均勻，且在機(jī)械拉伸后能量水平不受影響。這些結(jié)果表明，SAX薄膜的無序結(jié)構(gòu)為其在實(shí)際應(yīng)用中提供了顯著優(yōu)勢(shì)，特別是在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電荷傳輸能力方面。
圖 無定性誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性
圖 分子膜的電子特性
光伏性能
作者進(jìn)一步評(píng)估了使用SAX作為分子選擇性接觸（MSC）的鈣鈦礦太陽能電池的性能，發(fā)現(xiàn)其在光伏效率和穩(wěn)定性方面顯著優(yōu)于傳統(tǒng)4PACz。基于SAX的器件實(shí)現(xiàn)了25.1%的最高光電轉(zhuǎn)換效率（PCE），填充因子（FF）達(dá)到83.4%，而4PACz器件的PCE為22.4%，F(xiàn)F為78.1%。SAX的無序分子堆疊結(jié)構(gòu)使其在高溫和機(jī)械應(yīng)力下表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性，器件在85°C老化1000小時(shí)后仍保持95%以上的初始PCE。此外，SAX在柔性基底上也展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，機(jī)械拉伸后PCE幾乎無退化，而4PACz器件的PCE顯著下降。這些結(jié)果表明，SAX作為一種新型MSC材料，能夠顯著提升鈣鈦礦太陽能電池的性能和穩(wěn)定性，具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖 光伏性能
展望
總之，作者開發(fā)了一種獨(dú)特的共軛核心，提供了無定形結(jié)構(gòu)。這種高度無序的結(jié)構(gòu)歸因于其在分子排列和電荷傳輸途徑方面的靈活性更大，與晶體刺激相比，對(duì)外部刺激的彈性增強(qiáng)了。鈣鈦礦太陽能電池設(shè)備在PCE和操作穩(wěn)定性方面都有改善。本工作在不損害電子特性的情況下呈現(xiàn)非晶態(tài)的獨(dú)特π骨架設(shè)計(jì)可能會(huì)激發(fā)未來的研究，以釋放有機(jī)電子分子家族的全部潛力。
參考文獻(xiàn)：
Zhou, J., Luo, Y., Li, R. et al. Molecular contacts with an orthogonal π-skeleton induce amorphization to enhance perovskite solar cell performance. Nat. Chem. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41557-025-01732-z
