Nature：柔性钙钛矿太阳能电池领域取得突破

自组装单分子层（self-assembled monolayers，SAMs）可锚定于透明导电氧化物（transparent conductive oxide，TCO）基底表面，并通过构建界面分子偶极促进钙钛矿层中的载流子提取，从而推动钙钛矿太阳能电池（pero-SCs）效率持续提升。

然而，由于配位位点的电子密度受限，SAMs与基底之间的本征键合强度不足，容易在器件运行应力作用下发生脱附，进而削弱界面电荷提取能力，成为制约器件长期稳定性的关键问题。

为解决这一问题，来自苏州大学的李耀文、陈先凯以及东南大学的张天恺等研究者设计了一种具有给体–受体–给体（donor–acceptor–donor，D–A–D）共振分子结构的SAM。相关论文以题为“Electronic-resonance enhanced molecule for perovskite solar cells”于2026年07月22日发表在Nature上。

具有给体–受体（donor–acceptor，D–A）结构的自组装单分子层（self-assembled monolayers，SAMs）能够在钙钛矿太阳能电池（perovskite solar cells，pero-SCs）中实现高效且具有选择性的载流子提取。

然而，由于分子本身具有聚集倾向，SAMs在长期实际运行过程中容易从基底表面脱附。

近期研究表明，相较于依赖氢键或其他弱相互作用形成的分子聚集体，促进SAMs与氧化铟锡（indium tin oxide，ITO）基底之间形成稳定的共价键，对提升器件运行稳定性至关重要。

基于这一认识，研究人员先后提出了给体基团工程、空间位阻优化以及多齿配位等策略，通过抑制SAM分子聚集或增加界面结合位点，促进更多共价锚定键的形成。

然而，目前仍缺乏能够从本征层面直接增强共价键强度的有效策略，即如何提高P–O–In键的结合能。该问题限制了钙钛矿太阳能电池在更严苛运行条件下的长期稳定性。

SAM锚定键的形成在本质上属于伴随脱水过程的酸碱缩合反应。因此，提高配位原子的负电荷密度，是增强界面共价锚定键最直接、最根本的途径之一。

尽管锚定基团通常具有相对固定的化学结构，难以直接进行大幅修饰，但SAM分子的D–A电子结构可通过取代基设计进行调控，从而为调节界面锚定强度提供了重要途径。

考虑到合理构建电子共振结构是促进分子内电荷重新分布的核心策略，本研究开发了一种具有强给体–受体–给体（donor–acceptor–donor，D–A–D）共振结构的SAM分子FMTPA-CPA。

该分子由两个对称的三苯胺（triphenylamine，TPA）给体基团和一个氰基乙烯基膦酸（cyanovinyl phosphonic acid，CPA）受体型锚定基团组成。

与弱D–A型SAM分子2PACz以及常规D–A型分子FTPA-CPA相比，后者由一个TPA空穴传输基团和一个CPA锚定基团构成，FMTPA-CPA的共轭D–A–D结构具有两方面显著优势。

首先，给体基团数量的增加以及更强的电子共振效应，能够强化分子内电荷重新分布，使更多电子密度集中于膦酸锚定基团，从而增强其与ITO表面的P–O–In共价锚定作用。

其次，对称的TPA给体基团与共轭连接骨架可形成由D–A–D共振稳定的电荷离域结构，进一步改善界面电荷提取与传输过程。

得益于增强的界面锚定作用，FMTPA-CPA能够在ITO表面形成均匀的单分子层形貌和稳定的界面分子偶极。

基于该SAM构筑的钙钛矿太阳能电池，在面积为0.063 cm²的刚性基底器件上获得了27.69%的认证光电转换效率，在相同面积的柔性基底器件上实现了26.64%的认证效率。

均匀且牢固的FMTPA-CPA界面锚定同样有利于大面积组件性能的提升，使孔径面积为15.64 cm²的组件获得了23.63%的光电转换效率。

更为重要的是，基于FMTPA-CPA的钙钛矿太阳能电池表现出优异的长期运行稳定性。

在ISOS-L-2测试条件下，器件在85±5 ℃下连续进行最大功率点跟踪（maximum-power-point tracking，MPPT）1,080 h后，仍保持超过99%的初始效率；在85±5 ℃、金属卤化物灯照射条件下，光强为100 mW cm⁻²且紫外光占比为4.4%，持续测试1,080 h后，器件仍保持超过93%的初始光电转换效率。

此外，在ISOS-LC-1测试协议下，器件经历1,000 h昼夜循环后仍保持超过97%的初始效率；按照ISOS-T-3协议，在−40 ℃至85 ℃之间完成720次重复热循环、总测试时间约2,000 h后，器件仍保留超过98%的初始效率。

这些结果表明，利用D–A–D电子共振结构提高锚定基团的负电荷密度，可从本征层面增强SAM与ITO之间的共价锚定作用，同时促进界面电荷离域和载流子提取，为钙钛矿太阳能电池在高温、强光、昼夜循环及剧烈温度变化等严苛条件下的稳定运行提供了一条有效途径。

图1 D-A-D - SAM分子间强电荷重分布。

图2 D-A-D谐振式SAM在衬底上的稳健锚定。

图3 紧凑、均匀的D-A-D谐振自组装膜，从而制备出高质量的钙钛矿薄膜。

图4 基于D-A-D谐振式SAM的提高效率和稳定性。

综上，本研究设计了一种具有给体–受体–给体（D–A–D）共振结构的FMTPA-CPA分子，通过分子内电子共振将更多负电荷集中于锚定基团。

锚定基团负电荷密度的提高显著增强了SAM与氧化铟锡（ITO）基底之间的键合作用，并促进分子在ITO表面形成致密、均匀且稳定的锚定层。

与此同时，FMTPA-CPA中的电子共振效应能够增强分子内电荷离域，从而实现更加高效的界面电荷传输。

得益于上述优势，采用FMTPA-CPA构筑的0.063 cm²刚性和柔性钙钛矿太阳能电池分别获得了27.69%和26.64%的认证光电转换效率。

基于该共振型SAM的大面积组件同样实现了23.63%的光电转换效率，表明这一分子设计策略具有良好的普适性和器件兼容性。

更为重要的是，基于FMTPA-CPA SAM的器件表现出显著提升的运行稳定性。

在85±5 ℃条件下进行最大功率点跟踪（MPPT）1,080 h后，器件仍保持约99%的初始光电转换效率；在金属卤化物灯照射与85±5 ℃热应力协同作用下测试1,080 h后，仍可保持约93%的初始效率；即使经历−40 ℃至85 ℃之间720次严苛热循环，器件仍保留约97%的初始光电转换效率。

该研究为通过共振分子结构设计构筑高强度锚定型SAM提供了重要认识，并从分子层面建立了提升界面键合强度、电荷传输效率及运行稳定性的设计基础，为钙钛矿太阳能电池在高温、强光及剧烈温度变化等严苛条件下实现长期稳定运行提供了新的解决思路。

参考文献

Wu, X., Kou, W., Li, Z. et al. Electronic-resonance enhanced molecule for perovskite solar cells. Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10919-4

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10919-4

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