近期，南方科技大学理学院化学系教授许宗祥及合作者在钙钛矿光伏领域自组装单分子层空穴选择性接触材料研发方面取得新进展，相关成果以“Self-assembled monolayer via rapid and scalable soak-coating for perovskite solar cells”为题发表于国际学术期刊 Nature Synthesis。

在过去十余年间，钙钛矿太阳能电池（PSCs）凭借其优异的光电特性、持续攀升的功率转换效率（PCE），以及良好的可回收性，已逐步发展成为下一代光伏技术的重点研究方向之一。在推动高性能PSCs发展的诸多关键技术中，采用自组装单分子层（SAMs）材料构筑空穴选择性接触层（HSLs）的技术方案脱颖而出，成为一种极具前景的核心策略。得益于其分子尺度的超薄结构优势，基于SAM构建的HSL不仅展现出卓越的载流子选择性，还可显著降低器件内部的串联电阻，进而有效提升整体光电转换性能与器件稳定性。

尽管实验室中广泛采用的旋涂技术能够快速制备出高质量的SAM功能薄膜，但其在面向规模化工业生产及柔性器件制备的应用场景中，依然面临严峻挑战。该技术的主要制约因素包括：对基底尺寸与表面平整度的要求高、材料利用率偏低、难以用于大面积器件制备生产等，这些问题严重限制了其可扩展性以及在多样化器件结构中的普适性。相较之下，浸泡法在理论上更适用于大规模工业化生产和柔性基底加工的需求：具备材料利用率高、批次重复性好、且有助于促进SAM材料锚定基团与透明导电氧化物（TCO）表面实现更紧密接触等优势。但在实际应用中仍存在两个问题：一是所需浸泡时间较长，二是所制器件的光电转换效率普遍低于旋涂工艺。这两大短板制约了浸泡法的规模化商业应用，使其技术发展至今仍明显滞后于旋涂工艺。

为攻克上述难题，研究团队立足于前期在共轭连接型咔唑膦酸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-共轭连接基团–膦酸分子骨架为核心结构，通过对咔唑端基进行理性设计与精准修饰，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）。该材料采用独特的非对称结构设计，巧妙融合了甲氧基取代基与苯并咔唑刚性骨架，二者协同作用显著增强了分子的偶极矩和堆积密度，并改善了其在特定绿色溶剂乙醇中的溶解性能。针对溶剂体系的进一步优化研究表明，在乙醇中引入1.5体积分数的水可有效强化溶剂中的氢键网络，不仅提升了SAM材料的溶解度，还显著改善了其自组装动力学行为，从而为高质量SAM薄膜的可控制备提供了有力支撑（图 1）。

图 1. （a）本研究SAM材料的分子结构；（b）SAM材料分子偶极矩；（c）OB-PhpPACz在不同醇溶液中丁达尔现象；（d）OB-PhpPACz与OB-PhpPACz/H₂O在FTO上的吸附模型；（e）OB-PhpPACz与OB-PhpPACz/H2O在乙醇溶剂的动态光散射测试

SAM材料OB-PhpPACz能通过浸泡工艺在5分钟内迅速形成高质量的SAM功能层。基于此，小面积（0.071 cm²）PSC实现了27.23%的认证效率，同时，器件表现出优异的运行稳定性，在最大功率点跟踪（MPPT）条件下测得的认证稳态效率达26.69%。值得一提的是，这种兼具高效率与短制程时间的浸泡涂布技术，还可顺利拓展至大面积器件的制备：采用浸泡法制备的1 cm²器件获得了25.75%的认证效率，其稳态MPPT认证效率亦达到24.85%；在组件级别的表现中，基于该工艺制备的小模组（开口面积为12 cm²）实现了23.25%的PCE，显著优于采用传统旋涂工艺制备的对照组模组（21.98%），且器件稳定性也进一步提升。这一结果充分彰显了OB-PhpPACz材料及相应浸泡涂布工艺在面向组件级大规模制造中的广阔应用前景与巨大潜力。另外，柔性器件因表面形貌的不规则性，给薄膜沉积工艺带来更多挑战。而浸泡涂布技术凭借其对不平整表面固有的良好适应性，在此类应用中展现出更为突出的优势。在柔性PEN/ITO基底上，采用浸泡法制备的OB-PhpPACz自组装单分子层显著提升了小面积器件的效率：由旋涂工艺的基准值23.93%跃升至24.98%。对于1 cm²的柔性器件，PCE也从原来的21.59%大幅提升至23.98%。更具说服力的是，即便将柔性器件的有效面积扩大至75 cm²，该工艺依然能够实现16.60%的光电转换效率，远高于旋涂法对应的11.11%（图 2）。这一结果有力验证了浸泡涂布技术在大面积柔性光伏器件制造中具备出色的可扩展性与广泛的适用性，为其未来在柔性光电器件领域的推广应用奠定了坚实基础。

图 2. （a）SAM浸泡涂布工艺流程；（b）反式PSC器件结构示意图；（c）小面积PSC器件认证效率；（d）旋涂与浸泡涂布工艺不同面积器件效率对比；（e）大面积柔性PSC器件性能图；（f）旋涂与浸泡涂布工艺器件稳定性对比

特别值得强调的是，基于浸泡涂布工艺特点，OB-PhpPACz溶液可重复使用高达20次。研究团队还深入探索了完整器件在制备完成后的可回收性。通过将器件置于水中并进行超声处理，成功实现了钙钛矿吸光层、C₆₀电子传输层、SnO_X缓冲层以及铜电极与经OB-PhpPACz修饰的FTO基底之间的高效分离。即使经过两次回收再利用，采用再生OB-PhpPACz/FTO基底所制备的PSC依然能实现超过26%的PCE。这一成果不仅凸显了浸泡涂布工艺的可持续发展性和器件整体的可回收潜力，也进一步印证了OB-PhpPACz具备优异且稳定的分子组装性能，为开发可持续、环境友好的下一代光伏材料提供了有力支撑。

图 3. （a）PSC器件循环回收利用工艺流程；（b）SAM溶液循环使用次数与器件效率关系图；（c）TCO/SAM基材循环使用次数与器件效率

南方科技大学化学系原博士生曲歌平，南科大-香港大学联合培养博士生蔡思源、硕士生张乐天和中国科学技术大学陶玉立博士为该论文的共同第一作者，南方科技大学为论文第一单位。论文共同通讯作者包括南方科技大学原博士生乔颖、中国科学院合肥物质科学研究院潘旭教授、瑞典林雪平大学高峰教授、香港城市大学任广禹院士和南方科技大学许宗祥。以上研究得到了国家自然科学基金委面上项目、深圳市科创局高校稳定支持计划，以及南方科技大学公共分析测试中心和深圳市摩乐新能源科技有限责任公司的支持。

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供稿：理学院

通讯员：陈艺晴

主图：丘妍

编辑：曾昱雯