近日，南方科技大学程春副教授和香港理工大学任志伟研究助理教授及李刚讲席教授团队合作，在反式钙钛矿太阳能电池（IPSCs）界面工程领域取得重要进展。团队针对自组装单分子层（SAM）在复杂工况下易解吸附、失效的难题，提出了一种“多维空间限域”的分子设计策略，通过构建具有“刚性芳香环骨架+双向强锚定基团”的新型SAM分子，成功将界面的SAM分子在面内和面外多个维度牢牢“锁”住，同时构建了空穴高速传输的“单分子桥”。
该研究成果以“Strongly spatial-confined self-assembled monolayers for high-performance perovskite photovoltaics”为题，发表于Science Bulletin。
研究亮点
1. 首创“多维空间限域”设计：不同于传统的柔性烷基链分子，该研究利用刚性苯基连接体（phenylene linker）诱导分子紧密堆积，并结合甲氧基与钙钛矿的钝化锚定及与ITO衬底增强的三齿锚定，将强空间限域的策略成功应用于构筑稳定、高效的SAM界面。
2. 构筑空穴高速传输“单分子桥”：传统的SAM分子与钙钛矿相互作用弱，空穴往往通过“跳跃/hopping”的方式从钙钛矿传到ITO。设计的新型SAM分子MeO-PABDCB与钙钛矿和ITO形成了增强的锚定，提供了空穴传输的高速通道。
3. 效率与稳定性双突破：基于新型分子MeO-PABDCB的器件实现了26.54%的冠军效率，填充因子高达86.42%。器件在ISOS-L-1运行追踪（1000小时）及冷热循环（−40 °C至85 °C）测试中均表现出优异的稳定性。
研究背景
随着全球对清洁能源需求的迫切增长，反式钙钛矿太阳能电池（IPSCs）因其高效率、低成本及易于大面积制备的潜力，被视为下一代光伏技术的有力竞争者。其中，自组装单分子层（SAMs）凭借其超薄特性和低寄生吸收，已成为实现高效率器件的关键空穴传输材料。然而，现有的商用SAM分子通常采用柔性烷基链，导致分子在基底上排列无序、锚定不牢（通常为弱双齿或单齿结合）。这种“松散”的界面在热应力或溶剂侵蚀下极易失效，成为制约器件长期稳定性的严重阻碍。如何同时实现界面的载流子高效传输与结构长效稳定，是当前亟待解决的挑战。
成果简介
针对上述挑战，研究团队设计并合成了一种新型SAM分子——MeO-PABDCB。该分子摒弃了传统的柔性烷基链，转而采用刚性的苯基连接体（phenylene linker）作为骨架，并引入甲氧基（MeO–）作为功能化端基。实验与理论计算表明，刚性骨架诱导分子间形成了紧密的π-π堆积（堆积距离仅3.72 Å），在水平方向上构筑了致密的疏水屏障；同时，甲氧基的引入改变膦酸基团的偶极矩，促使其与钙钛矿形成锚定，并与ITO基底形成热力学更稳定的三齿锚定（tridentate anchoring）。这种“横向致密堆积+纵向强力锚定”的结构，被形象地称为“多维空间限域”。基于该策略，MeO-PABDCB修饰的界面展现出惊人的机械稳固性，其界面断裂能明显提升。得益于此，器件不仅获得了26.54%的最高效率，更在−40 °C到85 °C的冷热循环测试中保持了90%以上的初始性能，证明了该策略在提升器件寿命方面的巨大潜力。
图文导读
图1. 多维空间限域自组装单分子设计
（a）自组装单分子4PADCB, PABDCB以及MeO-PABDCB结构图；其中PABDCB与MeO-PABDCB具有刚性苯基连接基团。（b）自组装单分子4PADCB, PABDCB以及MeO-PABDCB静电势图；其中MeO-PABDCB拥有更高的偶极矩。
图2. 分子锚定以及界面稳固性
（a）自组装单分子4PADCB, PABDCB以及MeO-PABDCB与ITO锚定图；其中刚性苯基连接基团的PABDCB与MeO-PABDCB展示出三齿锚定效应。（b）自组装单分子层在加热后表面电势变化图；MeO-PABDCB薄膜在加热后表面电势保持稳定，证明了强锚定作用。（c）自组装单分子层在DMF冲洗后表面电势变化图；MeO-PABDCB薄膜在DMF冲洗后表面电势保持稳定，证明了强锚定作用。
图3. 钙钛矿薄膜应力释放及器件性能
（a）掠入射X射线衍射（GIXRD）图谱表明，基于MeO-PABDCB生长的钙钛矿薄膜具有更低的残余应力。（b）钙钛矿器件结构示意图。（c）最优器件的J-V曲线，其中基于MeO-PABDCB的反式器件效率达26.54%。（d）未封装器件在最大功率点持续工作的稳定性表现。（e）器件在ISOS-T-3热循环测试（−40 °C至85 °C）下的稳定性表现。
作者简介
任志伟，香港理工大学电机及电子工程学系研究助理教授。研究集中在可再生能源与环境、材料科学和未来能源技术，具体包括：绿色能源收集和储存的先进材料、可持续应用的串联功能能源器件、光电器件的钙钛矿和有机半导体、功能性柔性电子器件。
李刚，香港理工大学电机及电子工程学系能量转换技术讲席教授、钟士元爵士可再生能源教授、智慧能源研究院（RISE）副院长、粤港澳光热电能源材料与器件联合实验室主任，主要从事钙钛矿及有机光电领域研究，连续12年入选“全球高被引科学家”榜单（汤森路透/科睿唯安2014-2025）。
程春，南方科技大学材料科学与工程系长聘副教授（研究员），博士生导师，全国优秀教师，连续入选“全球前2%顶尖科学家”榜单（2023−2025年）。研究领域为低维无机材料的精准合成与物性调控，致力于解决柔性电子、智能器件及新能源领域的关键材料问题。