刷新世界纪录！上海交通大学，最新Nature！

一、研究背景

金属卤化物钙钛矿凭借其卓越的光电性能，已成为推动光伏效率提升的有力竞争者。目前，研究型钙钛矿电池的功率转换效率（PCE）记录已可媲美商业化的硅电池，预示着钙钛矿太阳能电池（PSCs）的工业化已近在眼前。在倒置（p-i-n）器件结构中，空穴传输材料（HTMs）的发展对近期效率的提高至关重要，特别是自组装分子（SAMs）的应用极大地提升了小面积PSC的PCE。

二、关键问题

当前高效率的倒置钙钛矿太阳能电池（PSCs）主要存在以下问题：

1、SAMs的分子聚集问题

大多数使用自组装分子（SAMs）的高效率倒置钙钛矿太阳能电池面临分子聚集和疏水性带来的挑战。这种聚集会导致钙钛矿薄膜在衬底上分布不均匀，影响界面的稳定性。

2、大规模生产的瓶颈

SAMs的聚集问题阻碍了钙钛矿太阳能组件（PSM）的制造规模化和器件的长期稳定性。现有的SAM工程或界面分散策略虽然能提高小面积PSC和厘米级迷你组件的性能，但尚未在大规模（如平方米级）组件上得到有效验证。

三、新思路

有鉴于此，上海交通大学赵一新、陈悦天、缪炎峰和郭永胜等人报告了一种 “基质中的自组装分子”（“SAM-in-matrix”）策略，将部分SAMs分散到稳定的三(五氟苯基)硼烷基质中，这可以打破原始的分子堆叠诱导的聚集。二维晶格蒙特卡洛模拟和实验结果表明，该策略可以形成高效的电荷传输通道。基于这种SAM-in-matrix空穴传输层（HTL）的器件，对各种SAMs均表现出更高的效率，具有致密的表面覆盖、良好的导电性，并大大减少了隐埋的纳米空隙。此外，该策略显示出突出的规模化生产应用潜力。在FTO/NiO_x衬底上的SAM-in-matrix HTL有助于形成具有良好晶体质量和增强NiO_x导电性的大面积钙钛矿薄膜。因此，成功实现了1 m×2 m大面积钙钛矿太阳能组件，获得了认证的创纪录效率20.05%。

技术方案：

1、构建了Me4PA@BCF HTL

Me4PA与BCF形成强相互作用，抑制堆叠，形成非晶态HTL，提升电荷传输效率，避免FTO/钙钛矿肖特基接触，增强了界面稳定性。

2、研究了Me4PA@BCF HTL上的钙钛矿薄膜的光电性能

Me4PA@BCF提升钙钛矿结晶质量，降低应力与陷阱密度，减少非辐射复合，使PCE达26.11%，电压损失降低。

3、探究了钙钛矿薄膜的规模化

NiOx/Me4PA@BCF HTL提升了钙钛矿薄膜质量与稳定性，形成致密非晶层，抑制催化反应，增强化学稳定性，提高电导率与载流子传输效率，显著提升了热稳定性和光稳定性。

4、展示了大面积太阳能组件的应用

Me4PA@BCF HTL在大面积基板上表现出优异均匀性，助力实现了高效大型太阳能组件，效率达20.05%。

技术优势：

1、提出了界面调控策略并构建了非晶态空穴传输层

作者创新性地提出了“SAM-in-matrix”策略，利用具有强吸电子能力的BCF基质有效地抑制了SAMs的分子堆叠和聚集，构造出无明显衍射峰的非晶态HTL，形成了高效的空穴传输通道，同时在衬底上提供了更致密的覆盖，避免了肖特基接触引起的非辐射复合。

2、实现了大规模组件创纪录效率与卓越稳定性

该策略显著提升了器件性能和规模化能力，不仅使小面积PSC的PCE达到26.11%，更在具有工业应用前景的1 m×2 m大尺寸组件上实现了20.05% 的认证创纪录效率，同时在持续光照和热老化测试中展现出卓越的长期运行稳定性。

技术细节

Me4PA@BCF HTL的构建

研究人员发现，SAMs的分子堆叠和结晶是导致其不均匀聚集和界面稳定性差的主要原因之一。实验表明，厚Me4PA薄膜具有高结晶度，但当Me4PA被添加到BCF中形成Me4PA@BCF薄膜时，即使Me4PA浓度相似，其衍射峰也不再出现，表现出非晶态特性。研究人员推测，BCF中具有强吸电子能力的五氟苯基可以抑制Me4PA分子的堆叠趋势。理论计算和二维固态核磁共振证实了Me4PA与BCF之间的强相互作用，这种相互作用不仅破坏了Me4PA的堆叠，还通过分子间的跳跃实现了电荷传输。模拟结果显示，Me4PA在BCF中均匀分布，形成高效的空穴传输路径。即使是5%的Me4PA@BCF层也能表现出与30% Me4PA@BCF层相当的高电导率。这种非晶化的SAM@BCF HTL在FTO衬底上提供了致密的覆盖，避免了在纯SAM HTL中可能出现的FTO/钙钛矿肖特基接触，从而提高了界面稳定性。

图  Me4PA@BCF HTL的构建

Me4PA@BCF HTL上的钙钛矿薄膜

在SAM@BCF HTL上生长的钙钛矿晶体通常具有更好的质量、更大的晶粒尺寸和更紧密的界面接触。GIWAXS图谱显示，Me4PA@BCF薄膜具有更高的强度和更窄的方位角强度分布，证实了其更好的结晶质量。GIXRD分析表明，Me4PA@BCF样品的峰位置与sin2ψ的函数关系斜率负值更小，表明界面处的残余拉伸应力较低。空间电荷限制电流（SCLC）测量结果显示，Me4PA@BCF基钙钛矿薄膜的陷阱密度（4.91×10¹⁵ cm⁻³）低于Me4PA基薄膜（6.94×10¹⁵ cm⁻³）。这些改进归因于界面非辐射复合的减少，这通过TRPL光谱中较慢的衰减和更高的PLQY值得到了进一步证实。基于Me4PA@BCF的倒置PSC器件，其冠军PCE提升至26.11%，所有参数均优于Me4PA器件。电致发光外量子效率（EQEEL）测量证实，Me4PA@BCF器件的电压损失（67 mV）显著低于Me4PA器件（108 mV），主要源于非辐射复合的降低。

图  钙钛矿薄膜的结构和光电性能

钙钛矿薄膜的规模化

研究人员在磁控溅射的NiOx薄膜上沉积Me4PA@BCF HTL，以提升大规模组件制造的效率和稳定性。在5 cm×5 cm的衬底上，NiOx/Me4PA@BCF样品展现出更优的钙钛矿前驱体溶液润湿性和薄膜覆盖率。横截面高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像显示，Me4PA@BCF衬底上钙钛矿与NiO_x之间形成了致密的非晶层，有效抑制了钙钛矿与高价NiOx的直接接触，增强了化学稳定性。在100℃热老化150小时后，NiOx/Me4PA@BCF基钙钛矿薄膜保持完整的表面特征且没有空隙形成。XPS研究显示，BCF能够增加NiOx中的Ni³⁺/Ni²⁺比率，提高了NiOx的电导率。紫外光电子能谱（UPS）分析表明，能量能级对齐得到调整，增加了内置电场，有助于增强载流子传输并减少复合损失。在连续1-sun光照下的最大功率点（MPP）跟踪测试中，Me4PA@BCF器件在1600小时后仍保持93.6%的初始PCE，热稳定性显著提升。

图  用于大面积钙钛矿膜的Me4PA@BCF HTL

大面积太阳能组件

Me4PA@BCF HTL在5 cm × 5 cm薄膜上成功展示了均匀性。为验证在大面积基板上的适用性，研究人员在30 cm × 30 cm的衬底上采用狭缝涂布法制备了钙钛矿薄膜。光致发光（PL）强度分布确认，Me4PA@BCF薄膜表现出更均匀的PL分布，这对于实现高质量、高效的大面积太阳能组件非常有利。为了展示Me4PA@BCF HTL在更大PSM中的前景，研究人员制造了 1 m× 2 m 的大型组件。该组件（指定面积为2.00 m²）获得了经福建计量院认证的20.05% 高效率，Voc为182.0 V，Isc为2.812 A，FF为78.35%。相比之下，Me4PA基组件的PCE仅为17.39%。总体良好的光伏性能有效地证明了Me4PA@BCF HTL在实现大规模高效率太阳能组件方面的技术适用性。

图  均匀的高膜质量和大面积组件的良好光伏性能

五、展望

本研究提出了一种创新的 “SAM-in-matrix”空穴传输层（HTL）策略，通过将自组装分子（SAMs）分散到稳定的三(五氟苯基)硼烷 (BCF)基质中，有效打破了SAMs的分子堆叠诱导的聚集问题。这种方法构建了高效的电荷传输通道，减少了界面纳米空隙，并促进了高质量钙钛矿薄膜的形成。基于此，小面积钙钛矿太阳能电池的功率转换效率（PCE）达到26.11%，并在连续运行1600小时后仍保持初始效率的93.6%。最关键的是，该策略展现出突出的规模化应用潜力，成功实现了 1 m× 2 m 大尺寸组件 20.05% 的认证创纪录效率，有力推动了钙钛矿光伏组件的工业化进程。

参考文献：

Liang, Y., Chen, G., Wang, Y. et al. A matrix-confined molecular layer for perovskite photovoltaic modules. Nature (2025).