1.研究团队

苏州大学张晓宏、刘江团队联合隆基绿能、西北工业大学、香港理工大学等单位，在埋底界面的自组装单分子层上做出非平面扭曲共轭结构：分子间的π–π堆叠被压住，金字塔绒面上的保形覆盖超过80%。叠层电池的认证稳态效率35.1%，认证反扫填充因子约85%。

✅分子：以4PACz为母核合成TC0至TC3，TC1为平面七环，TC2为五环骨架加一个扭转苯侧链，TC3由两个三环咔唑扭转连接；

✅覆盖：模拟中TC2覆盖83.1%，四组最高；C-AFM实测TC2超过80%，4PACz与TC3约63%和66%；

✅复合：TC2平均PLQY1.46%，对应QFLS1.292eV，四组最高；

✅器件：反扫VOC1.997V，FF84.98%，认证稳态35.13%，ISOS-L-2下1000小时保持82%。

Keywords：自组装单分子层   钙钛矿/硅叠层  |  分子构象 |  准费米能级分裂  |  界面钝化  

2.研究背景

叠层要把光用足，硅底电池得用随机金字塔绒面陷光。绒面一起伏，埋底界面就难做。SAM在这里当空穴传输层，夹在ITO与钙钛矿之间，厚度只有一个分子，必须沿着微米级的金字塔面铺满。哪一处没盖住，裸露的ITO就成了复合中心。

传统设计有个绕不过去的矛盾：共轭拉长，电子耦合和能级调控都变好，分子间的π–π作用也跟着变强，溶液干燥时聚成断断续续的岛，金字塔峰部正好露在外面。此前多从多环芳烃骨架入手，导电性上去了，堆叠也更严重。

3.研究成果

团队在共轭骨架里引入空间位阻，让分子内发生可控扭曲。TC1是平面七环，与ITO结合最牢，算出来−5.918eV，可是平面也意味着更容易堆叠。TC2保留五环骨架，挂一个扭转的苯侧链，分子间作用能被压到−0.637eV，共轭没断，空穴还能沿骨架走。TC3把两个三环咔唑用扭转连接，堆叠断了，覆盖率也掉下来。

这层膜不只是铺得满。它把ITO的功函数往下调，和钙钛矿的能级对上，内建电场增强，空穴注入势垒降低。表面还充当钙钛矿的成核模板，长出来的晶粒更大，(100)衍射峰更强。

3.1  覆盖率有两组数

分子动力学模拟里（In₂O₃模型基底，1000ps），TC2覆盖率83.1%，TC1为75.0%，TC3为73.3%，4PACz为62.3%。实验用导电原子力显微镜：2μm见方看电流分布，50μm见方取三个区域，统计低于2nA的像素占比。阈值不是拍的，裸ITO局域电流超过5nA，热蒸发致密SAM低于1nA。实测TC2超过80%，4PACz与TC3只有63%和66%。

图1：分子设计与组装（a：分子结构与设计策略；b：SAM与ITO的结合能；c：DLS测得的聚集体粒径；d–f：TC1、TC2、TC3的GIWAXS与分子排布；g：In₂O₃模型基底上1000ps模拟的覆盖率）

3.2  PLQY与QFLS

绝对PLQY在积分球里测，样品面光强按1个太阳等效。四组平均PLQY为0.99%、0.81%、1.46%、1.16%，TC2最高。由PLQY换算QFLS，TC2为1.292eV，其余三组在1.277至1.285eV之间。TC2的PLQY与QFLS都最高，说明非辐射复合损失较低；作者结合XPS等结果，把这一改善部分归因于埋底界面钝化。

高光谱成像显示，TC2组由PL峰能量估算的局域光学带隙分布最均匀。SEM与XRD也显示，TC2组薄膜的晶粒更大、分布更均匀，(100)衍射峰更强。

图2：钙钛矿结晶与界面钝化（a–b：SAM在钙钛矿上的吸附构型与结合能；c：Pb4f谱；d：结晶过程中原位PL随时间的演化；e：PLQY与QFLS；f：局域光学带隙分布；g：离子诱导的PCE损失；h：电荷密度）

3.3  器件

单结器件先在绒面硅上筛选，TC2开路电压约1.28V。叠层经第三方认证：反扫效率35.25%，开路电压1.997V，短路电流密度20.78mA/cm²，填充因子84.98%；300s稳态效率35.13%，面积1.007cm²。ISOS-L-1下老化1500小时保持94%，ISOS-L-2（65℃）下1000小时保持82%。

图3：叠层器件性能（a：器件结构；b：光伏参数统计；c：认证J–V；d：认证稳态效率；e：EQE；f：200小时光照前后PLQY；g：2.6个太阳下PL演化；h–i：ISOS-L-1与ISOS-L-2稳定性）

4.实验表征

PLQY和QFLS由复享光学LuminQY 准费米能级分裂检测系统测得。原位PL由复享光学InView-PL 在线原位荧光光谱仪在氮气手套箱内采集。

5.复享光学设备推荐

QFLSVision™ 准费米能级分裂成像系统，是一款针对薄膜光伏电池设计的准费米能级分裂（Quasi Fermi-Level Splitting，QFLS）成像系统，经过系统性的辐照度定标及内部算法集成，具备 绝对发光光谱、PLQY / ELQY、QFLS、Pseudo JV 等检测及面拍照成像能力，可视化地展示薄膜均匀性及缺陷分布状态，为进一步理解钙钛矿光伏电池失效机制提供有效工具。

图4：复享光学 QFLSVision™准费米能级分裂成像系统

InView-PL 在线原位荧光光谱仪是一款专为薄膜光伏成膜过程监控而设计的光谱监控设备，系统可灵活搭载于旋涂、VCD 、退火和薄膜老化设备，实现对光伏薄膜成膜、结晶和老化过程的 PL、吸收和散射信号的实时、原位监测，帮助研究人员了解结晶速率、相转变动态等信息，从而优化结晶条件，控制结晶过程，进而提高结晶质量，提升器件的效率及稳定性。

图5：复享光学 InView-PL 在线原位荧光光谱仪

6.总结

样品是实验室尺寸，绒面形貌与工业化制绒有差别。QFLS由PLQY换算，绝对定标的误差会直接进结果。1500小时内衰减很小，更长时间和更严苛工况还没测。若往量产走，涂布方式与退火窗口都要重新摸索。

参考文献：

[1]参考文献

Conjugation-regulated self-assembled molecules for tandem solar cells

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-026-11226-8

作者：Zheng Fang, Lei Ding, Zhijie Rao等，共同一作5人

通讯作者：张晓宏、刘江（苏州大学），何博（隆基绿能），王凯（西北工业大学），殷骏（香港理工大学），蒋龙（中国石油集团工程材料研究院）