研究背景
钙钛矿太阳能电池（PSCs）是一种新型光伏材料，因其高光电转换效率、低成本及轻质结构等优点，在可再生能源领域，尤其是太阳能发电方面，得到了广泛关注。与传统的硅基光伏材料相比，钙钛矿材料不仅能够在较低成本下实现高效能量转换，而且还具有较好的机械柔性和较简便的制备工艺，具有广泛的应用前景。然而，尽管钙钛矿太阳能电池的光电性能已经取得显著进展，其稳定性仍然是制约其产业化的主要难题。尤其是在高温和温度变化等环境因素的影响下，钙钛矿太阳能电池的性能可能会出现显著衰退，尤其是界面稳定性差，导致界面接触恶化和载流子传输受阻。因此，提升钙钛矿太阳能电池的温度稳定性，尤其是增强界面材料的热稳定性，仍然是这一领域的技术挑战之一。为了解决这一问题，西安交通大学刘宇航、马伟，瑞士洛桑联邦理工Michael Grätzel以及华中科技大学李雄、尤帅等合作在“Nature Energy”期刊上发表了题为“Self-assembled bilayer for perovskite solar cells with improved tolerance against thermal stresses”的最新论文。研究人员设计并制备了一种自组装双分子层（SABs）结构，利用共价键连接磷酸SAM与三苯胺上层，形成聚合物网络体系。与传统的小分子SAM材料相比，这种自组装双分子层通过傅-克烷基化反应形成的聚合物网络，有效增强了界面的热稳定性，能够抵抗高达100°C的热降解，且持续200小时未出现明显性能衰退。 同时，双分子层的面向取向分子排列展现了与钙钛矿材料的良好黏附特性，显著提高了钙钛矿与空穴传输层之间的界面机械强度。通过这一策略，研究人员成功实现了钙钛矿太阳能电池的光电转换效率超过2 6%，且在经过2000小时湿热测试和1200个-40°C至85°C的热循环后，器件的效率衰减分别仅为4%和3%，符合国际电工委员会（IEC）61215:2016和国际有机光伏稳定性协会（ISOS）设定的行业标准。
研究亮点
- 实验首次开发了共价键连接的自组装双分子层结构，并成功应用于反式钙钛矿太阳能电池（PSCs）。该双层结构通过傅-克烷基化反应形成聚合物网络，显著提高了界面稳定性与耐高温性能。
- 实验通过自组装双分子层（SABs）改善了钙钛矿/空穴传输层的界面接触和机械强度。上层的面向取向分子排布提高了钙钛矿与孔传输层之间的粘附能，使得器件在温度变化下具有更强的机械韧性。
- 实验通过对自组装双分子层PSCs进行湿热和热循环测试，验证了其卓越的热稳定性。经过2,000小时湿热（85°C，85%相对湿度）测试后，基于自组装双分子层的器件仅衰减了4%的效率；同时，经过1,200次热循环（-40°C至85°C），效率损失也仅为3%。
- 实验得到的钙钛矿太阳能电池器件功率转换效率超过26%，满足国际电工委员会（IEC61215:2016）和国际有机光伏稳定性协会（ISOS）设定的稳定性标准，证明了该自组装双分子层在提升PSCs性能和稳定性方面的有效性。
图文解读
结论展望
本文通过自组装双分子层（SAB）构建了共价连接的结构，有效增强了界面与材料之间的粘附力，从而提升了器件的热稳定性。这一创新不仅克服了传统SAMs在高温和热循环中的脱附和接触恶化问题，还实现了钙钛矿/空穴传输层界面的机械强度增强。其次，研究表明，SAB的设计策略使得钙钛矿太阳能电池能够在高温和湿热环境下维持较高的性能，突破了现有材料的温度限制。这为未来钙钛矿太阳能电池的工业化应用奠定了基础，尤其是在长时间高温工作条件下的稳定性。最后，研究还强调了材料设计中共价键合的作用，提示未来在开发新型光电材料时，需要更多地关注分子间的相互作用与界面粘附力，以提升器件的综合性能和环境适应性。这一研究不仅为光伏技术的创新提供了新思路，也为钙钛矿材料的长期稳定性和商业化进程提供了关键技术路径。 Dong, B., Wei, M., Li, Y. et al. Self-assembled bilayer for perovskite solar cells with improved tolerance against thermal stresses. Nat Energy (2025). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01689-2
