小编微信：pftlovechina（大面积效率>23%）

通讯作者：北京大学赵清&骆超&深圳先进院王在伟&四川大学马建毅

自组装单分子层（SAMs）有效提升了钙钛矿太阳能电池（PSCs）的光电转换效率，但因其超薄特性，在户外太阳光照射下（尤其是紫外光波段）易出现结构破损问题，制约了钙钛矿太阳能电池的长期运行与实际应用。结合大量实验与从头算分子动力学模拟研究表明，传统自组装单分子层在紫外光照射下会快速发生结构劣化，进而引发分子脱附、薄膜崩塌。

本文设计了一种具备双维度强化结构的自组装单分子层：纵向层面，多重锚定位点与柔性 π 共轭骨架可实现与两侧相邻层的牢固结合，赋予界面优异的紫外光耐受性；横向层面，本征结构稳定性与分子互锁网络可进一步抵御高能紫外光入侵造成的薄膜崩塌。

最优器件实现了27.10%的光电转换效率（认证效率 26.90%）；在 65 ℃条件下经 2100 小时最大功率点追踪测试（ISOS‑L‑2）后，效率仅衰减 2%。此外，器件在1.73 倍自然光强的高强度紫外光环境下老化 2200 小时后，仍保留 86.7% 的初始光电转换效率；户外实际暴露 2035 小时后，效率保有率达 90.5%，创下基于自组装单分子层的钙钛矿太阳能电池紫外稳定性的最高纪录。

图 1 | 实际工作条件下 SAM 的稳定性缺陷

a、基于 SAM 的反式钙钛矿太阳能电池，在室内 LED 太阳光模拟器（绿色方形）与户外太阳光照射（蓝色圆形）条件下，光电转换效率（PCE）累计 350 小时的变化规律；阴影区域代表标准差。b、器件的串联电阻（上图）与并联电阻（下图）随户外光照时长的变化。c、d、剥离电极后得到的钙钛矿薄膜共聚焦荧光图像，分别对应户外太阳光照射前（c）和照射 24 小时后（d）；插图为亮度分布直方图，比例尺：2 μm。e、f、FTO/SAM 薄膜在户外太阳光照射前（e）和照射 24 小时后（f）的 KPFM 表面电势分布图；插图为电势分布直方图与均方根电势，比例尺：200 nm。g‑j、用于探究户外太阳光诱导 SAM 降解的简化实验流程示意图。（g）将 SAM 静态旋涂于 FTO 基底；（h）退火后采用 DMF 冲洗，去除未锚定的 SAM 分子；（i）由玻璃侧入射的太阳光引发 SAM 降解与脱附；（j）再次使用 DMF 冲洗，去除经太阳光照射后受损、脱附的分子。k‑n、纯 FTO 基底（k）、原始 FTO/SAM 样品（l）、户外太阳光照射 24 小时（m）与 96 小时（n）后样品的 c‑AFM 电流图；左下角标注平均表面电流值，比例尺：200 nm。

图 2 | 紫外光激发下的分子完整性

a、双维度强化机制概念示意图，同时展示 Poly‑WZW 三聚体的分子主链结构。b、c、FTO/MeO‑2PACz 与 FTO/Poly‑WZW 薄膜（DMF 冲洗后）的 AFM‑IR 映射图，分别在 1494 cm⁻¹、1482 cm⁻¹ 下采集，对应咔唑特征峰；插图为红外强度统计直方图，比例尺：200 nm。d、e、MeO‑2PACz 单体与 Poly‑WZW 单体的基态几何构型，同时标注关键化学键的拉普拉斯键级；原子颜色参考图例。f、g、MeO‑2PACz 与 Poly‑WZW 溶液分别经 0 小时、0.5 小时、1 小时紫外光照射前后的HNMR谱图；图 f 插图为 7‑9 ppm 区域放大图，对应咔唑质子，峰编号与分子结构中标注官能团的氢原子一一对应。h、沉积在 ITO 包覆 Si 基底上的 MeO‑2PACz（左）与 Poly‑WZW（右）的水平 ATR‑FTIR 信号（磷酸基团摩尔比一致，用于增强信号）。i、j、365 nm 紫外光激发下，FTO/MeO‑2PACz 与 FTO/Poly‑WZW 异质结的从头算分子动力学（AIMD）快照，(E_ads)代表吸附能。k、从两种异质结在 365 nm 紫外光激发下的 AIMD 轨迹中提取的均方根偏差（RMSD）曲线。

图 3 | 强化相互作用赋予钙钛矿抗紫外性能

a、竖直剥离测试（上图）与剪切剥离测试（下图）实物照片，附带器件结构与剥离几何结构的示意图。b、竖直剥离与剪切剥离模式下的临界剪切应力数值。c、d、户外太阳光照射条件下，MeO‑2PACz / 钙钛矿（c）与 Poly‑WZW / 钙钛矿（d）的界面演化示意图。e、f、不同紫外光照射时长后，对照组与实验组钙钛矿薄膜的 SEM 图像（光线由玻璃侧入射），比例尺：1 μm。g、紫外光照射下原位 PL 测试装置示意图。h、i、持续紫外光照射过程中，对照组（h）与实验组（i）钙钛矿的原位 PL 谱图及归一化 PL 强度变化规律。

图 4 | 提升光伏性能与户外稳定性

a、基于 MeO‑2PACz（对照组）与 Poly‑WZW（实验组）的最优 PSC 的J‑V曲线。b、最优双维度强化器件与其他已报道高性能聚合物 SAM 基 PSC 的 PCE、填充因子（FF）对比。c、对照组与实验组各 15 个器件的 PCE 统计结果；箱线图展示中位数（中线）、四分位距（箱体）与全部数据范围（须线）。d、800 mW・cm⁻² 条件下，经 365 nm 紫外光照射 20 分钟前后，对照组与实验组器件的准费米能级分裂（QFLS）对比。e、非封装器件在持续 365 nm 紫外光照射（~8 mW・cm⁻²）下的工作稳定性；数据为 4 个器件的平均值，阴影区域代表标准差；虚线代表实验组器件平均初始 PCE 的 80%。f、依据 ISOS‑L‑2 标准，非封装器件在模拟 1 倍太阳光（65±5 ℃）条件下的最大功率点追踪（MPPT）测试；虚线代表实验组 PSC 初始 PCE 的 95%。g、依据 ISOS‑O‑2 标准，在真实太阳光下测试的户外工作稳定性；数据为 16 个非封装器件的平均值，误差棒代表标准差；柱状图为每日总日照时长。

器件制备

PSC 器件制备

将 FTO 基底依次在清洗剂、去离子水、丙酮、异丙醇中各超声清洗 40 分钟，随后用氮气枪吹干，并进行 15 分钟 UV‑ozone 处理。将处理后的 FTO 基底转移至充入氮气的手套箱后，以 3000 rpm 转速旋涂浓度为 0.5 mg・mL⁻¹、溶于乙醇的 MeO‑2PACz 溶液，或浓度为 1.5 mg・mL⁻¹、溶于 DMSO 的 Poly‑WZW 溶液，随后分别在 100 ℃下退火 10 分钟（MeO‑2PACz）、150 ℃下退火 15 分钟（Poly‑WZW）。之后使用 150 μL DMSO 对薄膜进行动态冲洗，并在 100 ℃下退火 5 分钟。成分为 Cs₀.₀₅MA₀.₁₅FA₀.₈Pb (I₀.₉Cl₀.₁)₃的钙钛矿前驱体溶液，通过将 20.5 mg CsCl、16.8 mg MACl、206 mg FAI 与 608 mg PbI₂溶解于 1 mL 体积比为 4:1 的 DMF:DMSO 混合溶剂制得。该溶液采用两步旋涂工艺进行沉积：第一步以 1000 rpm 转速旋涂 10 秒，加速度 500 rpm・s⁻¹；第二步以 4000 rpm 转速旋涂 30 秒，加速度 2000 rpm・s⁻¹。在第二步旋涂进行至 20 秒时，于 1.5 秒内滴加 150 μL 氯苯作为反溶剂。随后将薄膜在 105 ℃下退火 20 分钟。接着取 85 μL 浓度为 1 mg・mL⁻¹、溶于 2‑丙醇的 PDADI 溶液，以 4000 rpm 转速动态旋涂约 5 秒，在 100 ℃下退火 5 分钟。通过热蒸发法以全程 0.2 Å・s⁻¹ 的恒定沉积速率蒸镀厚度 40 nm 的 C₆₀层，随后在 C₆₀层上方以 3000 rpm 转速旋涂 BCP 层 30 秒，无需后续退火。最后分三阶段通过热蒸发沉积厚度 120 nm 的 Cu：前 5 nm 沉积速率为 0.2 Å・s⁻¹，接下来 15 nm 沉积速率为 0.4 Å・s⁻¹，剩余厚度部分沉积速率为 0.8 Å・s⁻¹。

宽带隙（WBG）PSC

ITO 玻璃基底的清洗、干燥与 UV‑ozone 处理步骤和 FTO 基底保持一致。随后在通风橱内，将浓度为 10 mg・mL⁻¹、溶于超纯水的 NiOₓ纳米晶悬浮液以 4000 rpm 转速旋涂 30 秒，在 150 ℃下退火 10 分钟，之后将基底转移至充氮手套箱。以 3000 rpm 转速旋涂浓度为 0.5 mg・mL⁻¹、溶于乙醇的 Me‑4PACz 溶液，在 100 ℃下退火 10 分钟。之后使用 150 μL DMSO 对薄膜进行动态冲洗，并在 100 ℃下退火 5 分钟。在 SAM 层上方旋涂体积比为 1:150、溶于异丙醇的 Al₂O₃分散液，转速 6000 rpm，时长 30 秒，随后在 100 ℃下退火 5 分钟。成分为 Cs₀.₂FA₀.₈Pb (I₀.₆Br₀.₄)₃的 WBG 钙钛矿前驱体溶液，通过将 77.9 mg CsI、206.4 mg FAI、276.6 mg PbI₂与 330.3 mg PbBr₂溶解于 1 mL 体积比为 3:1 的 DMF:DMSO 混合溶剂制得；另外加入 3 mol% 的 MAPbCl₃（对应质量 18.3 mg）。该溶液在室温下搅拌过夜，无需进一步过滤。钙钛矿薄膜以 4000 rpm 转速旋涂 30 秒，加速度 1000 rpm・s⁻¹；旋涂结束前 10 秒，滴加 200 μL 氯苯作为反溶剂，之后在 100 ℃下退火 15 分钟。随后取 85 μL 浓度为 1 mg・mL⁻¹、溶于异丙醇的 PDADI 溶液，以 4000 rpm 转速旋涂 30 秒，加速度 4000 rpm・s⁻¹，在 100 ℃下退火 5 分钟。之后通过热蒸发法以 0.2 Å・s⁻¹ 的恒定速率沉积厚度 20 nm 的 C₆₀层，再通过原子层沉积（ALD）制备厚度 20 nm 的 SnO₂层。最后按照上述多阶段速率曲线，热蒸发沉积厚度 120 nm 的 Cu 电极。

PSC 微型模组制备

在尺寸为 5.0 cm×5.0 cm 的 glass/ITO 基底上制备微型模组。首先，使用输出功率 3 W 的绿色皮秒激光器对 glass/ITO 基底进行激光刻蚀，制备宽度 20 μm 的 P1 刻线，实现电池单元隔离。随后使用有机溶剂清洗 ITO 基底，经 30 分钟 UV‑ozone 处理后开展后续制备。微型模组的制备流程与小面积器件完全相同。SnO₂层沉积完成后，使用 0.4 W 低功率激光进行二次刻蚀，制备宽度 100 μm 的 P2 刻线。最后制备单片互联式模组：使用 0.5 W 功率的激光，对厚度 100 nm 的 Ag 层进行刻蚀，制备宽度 80 μm 的 P3 刻线；用于清洁模组边缘的 P4 刻蚀步骤，采用与 P1 刻蚀相同的激光参数。所制备的模组通常包含 7 个子电池，单个子电池宽度为 5.2 mm；刻线总宽度约 0.2 mm，最终有效受光面积为 14.1 cm²。

原文：Wang, K., Li, W., Li, Y. et al. Robust self-assembled monolayer enables ultraviolet stable perovskite photovoltaics. Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-73426-0

钙钛矿光伏世界记录每日更新（尽量以认证为标准）