随着全球可再生能源需求的迅速增长，太阳能光伏技术已成为应对能源危机与环境污染的关键解决方案。其中，钙钛矿太阳能电池因其具有高光电转换效率、低材料成本及轻质结构等优势，在太阳能光伏领域备受瞩目。反式钙钛矿太阳能电池，相较于传统的正式结构，加工工艺简单、易于实现相对低温制备、且耐候性更佳，因此受到学术及产业化的广泛关注。近年来，通过界面工程等策略优化，反式钙钛矿太阳能电池的效率已突破26%。然而，现有界面自组装单分子层（SAM）主要通过化学方式吸附在透明导电层（TCO）表面，当器件暴露于高温或经历热循环冲击时，分子层可能发生脱附或聚集，导致界面接触恶化及载流子（空穴）传输受阻，最终显著削弱器件的性能和稳定性。因而，开发更为稳定和高效的空穴选择性接触新材料体系对于进一步提升器件的热稳定性，推动其产业化应用至关重要。

为解决上述问题，西安交通大学金属材料强度全国重点实验室马伟教授团队刘宇航教授等，设计了通过共价键连接的自组装双分子层结构。在传统的小分子SAM材料体系的基础上，通过傅-克烷基化反应形成了共价键连接的聚合物网络体系。这类共价连接可以有效“锚定”吸附在透明导电基底上的小分子SAM层，显著提高其耐高温以及热冲击的稳定性。同时，其上层独有的面向取向分子排列表现出了与钙钛矿材料的良好的黏附特性，从而提高了钙钛矿/空穴传输层的界面机械强度。通过该策略，研究团队实现了第三方机构认证得到器件性能超过26%的光电转化效率，所加工的实验室级别钙钛矿太阳能电池器件通过了国际电工协会IEC61215:2016和国际有机光伏稳定性协会（ISOS）制定的行业标准：经过2000个小时湿热稳定性测试，基于自组装双分子层的冠军器件仅衰减原始效率的4%；同时经过1200个-40 ^oC 到85 ^oC热循环稳定性测试，其相比原始效率仅衰减3%。

图a，自组装双分子层的结构示意图；b，基于自组装双分子层的器件照片

近日，该研究成果以“Self-assembled bilayer for perovskite solar cells with improved tolerance against thermal stresses”（耐热应力稳定的自组装双分子层钙钛矿太阳能电池）为题发表在国际能源领域顶级期刊《Nature Energy》（《自然 能源》）上，西安交通大学金属材料强度全国重点实验室马伟教授、刘宇航教授、瑞士洛桑联邦理工大学Michael Graetzel教授、华中科技大学李雄教授、尤帅博士为共同通讯作者。西安交通大学金属材料强度全国重点实验室为第一通讯单位。该工作得到了国家自然科学基金和陕西省秦创原人才计划项目的资助。论文的表征及测试得到了西安交通大学分析测试共享中心的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41560-024-01689-2

马伟教授主页：https://gr.xjtu.edu.cn/web/msewma

刘宇航教授主页：https://gr.xjtu.edu.cn/web/yuhang.liu