【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，南方科技大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系教授許宗祥及合作者在鈣鈦礦光伏領(lǐng)域自組裝單分子層空穴選擇性接觸材料研發(fā)方面取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以“Self-assembled monolayer via rapid and scalable soak-coating for perovskite solar cells”為題發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊 Nature Synthesis。
 

　　在過(guò)去十余年間，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池(PSCs)憑借其優(yōu)異的光電特性、持續(xù)攀升的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)，以及良好的可回收性，已逐步發(fā)展成為下一代光伏技術(shù)的重點(diǎn)研究方向之一。在推動(dòng)高性能PSCs發(fā)展的諸多關(guān)鍵技術(shù)中，采用自組裝單分子層(SAMs)材料構(gòu)筑空穴選擇性接觸層(HSLs)的技術(shù)方案脫穎而出，成為一種極具前景的核心策略。得益于其分子尺度的超薄結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，基于SAM構(gòu)建的HSL不僅展現(xiàn)出卓越的載流子選擇性，還可顯著降低器件內(nèi)部的串聯(lián)電阻，進(jìn)而有效提升整體光電轉(zhuǎn)換性能與器件穩(wěn)定性。
 

　　盡管實(shí)驗(yàn)室中廣泛采用的旋涂技術(shù)能夠快速制備出高質(zhì)量的SAM功能薄膜，但其在面向規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)及柔性器件制備的應(yīng)用場(chǎng)景中，依然面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。該技術(shù)的主要制約因素包括：對(duì)基底尺寸與表面平整度的要求高、材料利用率偏低、難以用于大面積器件制備生產(chǎn)等，這些問(wèn)題嚴(yán)重限制了其可擴(kuò)展性以及在多樣化器件結(jié)構(gòu)中的普適性。相較之下，浸泡法在理論上更適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)和柔性基底加工的需求：具備材料利用率高、批次重復(fù)性好、且有助于促進(jìn)SAM材料錨定基團(tuán)與透明導(dǎo)電氧化物(TCO)表面實(shí)現(xiàn)更緊密接觸等優(yōu)勢(shì)。但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在兩個(gè)問(wèn)題：一是所需浸泡時(shí)間較長(zhǎng)，二是所制器件的光電轉(zhuǎn)換效率普遍低于旋涂工藝。這兩大短板制約了浸泡法的規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用，使其技術(shù)發(fā)展至今仍明顯滯后于旋涂工藝。
 

　　為攻克上述難題，研究團(tuán)隊(duì)立足于前期在共軛連接型咔唑膦酸SAM材料方面的研究成果(Joule, 2024, 8, 2123；Nature Communications, 2025, 16, 86；Joule, 2026, 10, 102227)，以咔唑-共軛連接基團(tuán)–膦酸分子骨架為核心結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)咔唑端基進(jìn)行理性設(shè)計(jì)與精準(zhǔn)修飾，成功合成了一系列新型SAM材料，其中包括代表性分子(4-(10-甲氧基-7H-苯并[c]咔唑-7-基)苯基)膦酸(OB-PhpPACz)。該材料采用獨(dú)特的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，巧妙融合了甲氧基取代基與苯并咔唑剛性骨架，二者協(xié)同作用顯著增強(qiáng)了分子的偶極矩和堆積密度，并改善了其在特定綠色溶劑乙醇中的溶解性能。針對(duì)溶劑體系的進(jìn)一步優(yōu)化研究表明，在乙醇中引入1.5體積分?jǐn)?shù)的水可有效強(qiáng)化溶劑中的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，不僅提升了SAM材料的溶解度，還顯著改善了其自組裝動(dòng)力學(xué)行為，從而為高質(zhì)量SAM薄膜的可控制備提供了有力支撐(圖 1)。
 

　　SAM材料OB-PhpPACz能通過(guò)浸泡工藝在5分鐘內(nèi)迅速形成高質(zhì)量的SAM功能層?；诖?，小面積(0.071 cm2)PSC實(shí)現(xiàn)了27.23%的認(rèn)證效率，同時(shí)，器件表現(xiàn)出優(yōu)異的運(yùn)行穩(wěn)定性，在最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)條件下測(cè)得的認(rèn)證穩(wěn)態(tài)效率達(dá)26.69%。值得一提的是，這種兼具高效率與短制程時(shí)間的浸泡涂布技術(shù)，還可順利拓展至大面積器件的制備：采用浸泡法制備的1?cm2器件獲得了25.75%的認(rèn)證效率，其穩(wěn)態(tài)MPPT認(rèn)證效率亦達(dá)到24.85%；在組件級(jí)別的表現(xiàn)中，基于該工藝制備的小模組(開(kāi)口面積為12?cm2)實(shí)現(xiàn)了23.25%的PCE，顯著優(yōu)于采用傳統(tǒng)旋涂工藝制備的對(duì)照組模組(21.98%)，且器件穩(wěn)定性也進(jìn)一步提升。這一結(jié)果充分彰顯了OB-PhpPACz材料及相應(yīng)浸泡涂布工藝在面向組件級(jí)大規(guī)模制造中的廣闊應(yīng)用前景與巨大潛力。另外，柔性器件因表面形貌的不規(guī)則性，給薄膜沉積工藝帶來(lái)更多挑戰(zhàn)。而浸泡涂布技術(shù)憑借其對(duì)不平整表面固有的良好適應(yīng)性，在此類應(yīng)用中展現(xiàn)出更為突出的優(yōu)勢(shì)。在柔性PEN/ITO基底上，采用浸泡法制備的OB-PhpPACz自組裝單分子層顯著提升了小面積器件的效率：由旋涂工藝的基準(zhǔn)值23.93%躍升至24.98%。對(duì)于1?cm2的柔性器件，PCE也從原來(lái)的21.59%大幅提升至23.98%。更具說(shuō)服力的是，即便將柔性器件的有效面積擴(kuò)大至75?cm2，該工藝依然能夠?qū)崿F(xiàn)16.60%的光電轉(zhuǎn)換效率，遠(yuǎn)高于旋涂法對(duì)應(yīng)的11.11%(圖 2)。這一結(jié)果有力驗(yàn)證了浸泡涂布技術(shù)在大面積柔性光伏器件制造中具備出色的可擴(kuò)展性與廣泛的適用性，為其未來(lái)在柔性光電器件領(lǐng)域的推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
 

　　特別值得強(qiáng)調(diào)的是，基于浸泡涂布工藝特點(diǎn)，OB-PhpPACz溶液可重復(fù)使用高達(dá)20次。研究團(tuán)隊(duì)還深入探索了完整器件在制備完成后的可回收性。通過(guò)將器件置于水中并進(jìn)行超聲處理，成功實(shí)現(xiàn)了鈣鈦礦吸光層、C60電子傳輸層、SnOX緩沖層以及銅電極與經(jīng)OB-PhpPACz修飾的FTO基底之間的高效分離。即使經(jīng)過(guò)兩次回收再利用，采用再生OB-PhpPACz/FTO基底所制備的PSC依然能實(shí)現(xiàn)超過(guò)26%的PCE。這一成果不僅凸顯了浸泡涂布工藝的可持續(xù)發(fā)展性和器件整體的可回收潛力，也進(jìn)一步印證了OB-PhpPACz具備優(yōu)異且穩(wěn)定的分子組裝性能，為開(kāi)發(fā)可持續(xù)、環(huán)境友好的下一代光伏材料提供了有力支撐。
 

　　南方科技大學(xué)化學(xué)系原博士生曲歌平，南科大-香港大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生蔡思源、碩士生張樂(lè)天和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陶玉立博士為該論文的共同第一作者，南方科技大學(xué)為論文第一單位。論文共同通訊作者包括南方科技大學(xué)原博士生喬穎、中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院潘旭教授、瑞典林雪平大學(xué)高峰教授、香港城市大學(xué)任廣禹院士和南方科技大學(xué)許宗祥。以上研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目、深圳市科創(chuàng)局高校穩(wěn)定支持計(jì)劃，以及南方科技大學(xué)公共分析測(cè)試中心和深圳市摩樂(lè)新能源科技有限責(zé)任公司的支持。
 

　　引用：南科大許宗祥團(tuán)隊(duì)在高性能鈣鈦礦光伏材料領(lǐng)域取得研究進(jìn)展 南方科技大學(xué)新聞網(wǎng)【引用時(shí)間：2026年06月04日】