西安交大在钙钛矿太阳能电池研究领域再次取得突破性进展

在高性能钙钛矿太阳能电池的层级结构中，分子基接触界面处于电荷提取与结构稳定的关键位置，该界面直接接触钙钛矿光活性层，其化学结构与成膜均质性直接决定了载流子选择性和器件稳定性。然而，常用的分子基接触层在溶液沉积与热退火过程中容易发生取向重排与相互聚集，导致界面覆盖不均、面内传输受阻，并在长时运行中加剧载流子复合、离子迁移和化学脱锚等问题，成为制约器件效率和寿命的核心瓶颈。

围绕这一关键问题，西安交通大学物理学院先进功能材料与器件物理团队杨生春教授、梁超教授，联合软物质与凝聚态团队吴宥伸副教授在分子界面工程研究中取得了突破性进展。团队首次提出“轴向手性构象动态调控”的分子设计理念，并自主设计合成了原创分子PPBCz‑4。该分子以低异构化势垒的轴向手性骨架为核心，通过非共面的空间构型赋予分子优异的构象可调性，使其在溶液沉积与自组装过程中能够顺应 NiO_x 基底表面微结构，实现构象自适应调节与定向有序组装，从而获得取向一致、致密连续的分子基接触界面。这一策略克服了传统刚性分子在界面成膜阶段取向受限与聚集效应严重的固有缺陷。PPBCz‑4 可在界面局域应变与极性环境下保持构象灵活，与 NiO_x 表面形成稳固的锚定键，并维持面内高度有序 π‑体系耦合，从而实现高效载流子定向传输与界面电学均质化。同时，分子中嘧啶间隔基与苯并咔唑端基间的协同作用构建出连续耦合的分子网络，有效缓释光‑热应力并抑制离子迁移，使界面在结构与能量维度上兼具柔性适应与动态稳固。依托该分子策略，团队构筑的倒置型钙钛矿光伏器件实现了26.91% 的光电转换效率（认证 26.44%），并在69 cm²模组上获得22.14% 的光电转换效率，在光‑热耦合测试条件（ISOS-L-3协议）下持续运行超过2,000小时，器件效率仍保持 98% 以上初始效率，展现出卓越的长期运行稳定性。

该研究首次在分子接触界面引入轴向手性构象动态调控机制，实现了从分子刚柔结构自适应调控、化学锚定到界面稳健性的全流程优化，为构建高载流子选择性、低缺陷、高稳定性的分子接触界面提供了新的设计思路，为高效率、长寿命、可规模化制备的钙钛矿太阳能电池的开发提供了重要理论与实验支撑。

该研究成果以《低异构化势垒的轴向手性分子实现高效稳定的钙钛矿太阳能电池》（“Axially chiral molecular contacts with low isomerization barriers for perovskite solar cells”）为题于1月19日在《自然光子学》（Nature Photonics）期刊上在线发表。西安交通大学物理学院博士研究生杨文涵为论文的第一作者；物理学院博士研究生关心和福建农林大学青年教师蔡庆斌为论文的共同第一作者；物理学院梁超教授、杨生春教授、吴宥伸副教授以及河南大学李萌教授为论文的共同通讯作者；西安交通大学物理学院和电工材料电气绝缘全国重点实验室为本论文第一完成单位。工作同时得到了物理学院张磊教授和张楠副教授的指导。西安交通大学分析测试中心郭航、梁艳和周佩老师在材料结构测试与分析方面提供了大力支持。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、西安交通大学青年拔尖人才支持计划、中央高校基本科研业务费以及电工材料电气绝缘全国重点实验室等项目的资助。

论文链接：https://10.1038/s41566-025-01817-8

梁超教授主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/0020220063/home

杨生春教授主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/ysch1209/1

吴侑伸副教授主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/wuyoushen