北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、人工微结构和介观物理全国重点实验室赵清教授课题组与合作者开发了一种多功能衬底羟基化方法，为后续自组装单分子层的锚定提供了致密且稳定的键合位点，从而构建了高效稳定的钙钛矿太阳能电池。该成果以“键合位点工程实现稳定钙钛矿太阳能电池均匀牢固的自组装单层” (Engineering bonding sites enables uniform and robust self-assembled monolayer for stable perovskite solar cells) 为题，于2025年6月24日在线发表于《自然·材料》(Nature Materials)。
作为一种清洁能源，太阳能技术的发展有助于降低人类对化石能源的依赖并显著缓解当前紧迫的环境问题。钙钛矿作为一种新型光伏半导体，由于独特的晶体结构和优异的光电性质，在光电器件领域备受关注。锚定在透明导电金属氧化物氧化铟锡（ITO）上的超薄自组装分子单层（SAM）由于优异的电荷传输性能，使钙钛矿太阳能电池的光电转化效率近年来得到飞速提升。然而SAM层厚度小于5 nm，构筑均匀致密且稳定的超薄SAM在实验上具有极高挑战性。ITO表面的羟基基团作为SAM分子的键合位点，直接决定了SAM层的分布和锚定稳定性。传统基于紫外臭氧处理ITO羟基化的方法在ITO表面构建的羟基密度和稳定性都有待进一步提升。鉴于此，赵清教授课题组与合作者提出了一种溶液基快速羟基化刻蚀策略，在ITO表面构筑高密度，均匀且稳定的共价键合羟基基团，为后续SAM高质量锚定提供了高质量的键合位点，从而实现了高效稳定钙钛矿太阳能电池的构建。
键合位点工程
全新羟基化蚀刻方法显著增加了ITO表面的羟基含量，通过调整羟基化溶液的成分和温度，ITO的全面有效羟基化甚至可以在15秒内实现，将水接触角从46°降低到4°，使表面从疏水变为超亲水，大大缩短了钙钛矿太阳能电池的制造时间。该方法获得的羟基基团可稳定地锚定在ITO表面上，三个月后ITO仍然保持超亲水性（图1）。此外，羟基化蚀刻还在新暴露的ITO表面上产生了额外的氧空位（即未配位的铟离子）。未配位的铟离子可以通过共享O原子上的孤对电子与SAM分子形成配位键，产生新的化学键合模式，进一步加强了后续SAM层的锚定。
图1键合位点工程
更均匀稳定的SAM锚定
得益于键合位点工程提供的丰富羟基键合位点，后续材料表征表明锚定在ITO上的SAM实现了更加密集和均匀的覆盖（图2）。瞬态吸收光谱动力学衰减表明了该层对载流子界面提取效率的提高。XPS结果表明SAM和ITO之间形成了更稳定的配位键合。密度泛函理论计算表明氧空位的形成导致三个相邻的未配位铟，使SAM能够通过三齿键合锚定到ITO上，从而将SAM的结合能从-5.95 eV提高到-7.93 eV。此外，SAM层对光热老化的抵抗稳定性得到有效提高，表明锚定的SAM更加稳定，有利于后续钙钛矿太阳能电池的长期运行稳定性。
图2更均匀稳定的SAM锚定
光伏性能和多功能性
实验发现，羟基化蚀刻可以全面提高钙钛矿太阳能电池器件的光伏性能，使器件的光电转化效率显著提升至26.6%（第三方认证结果为26.44%）。由于各向异性蚀刻反应使ITO表面形成的重构类金字塔纳米结构，显著提高了光透过率，增加了器件短路电流密度。新型羟基化蚀刻方法可以替代领域内对于ITO的紫外臭氧/等离子体处理步骤，羟基化处理（最快15秒）可以取代并优于传统5步预处理（>2小时），大大简化了器件制备流程，降低了时间成本。最终，由于更稳定的键合位点和引入三齿键合带来的更牢固SAM，器件在经过65°C下的最大功率点追踪2800小时后，仍然可以保持初始光电转化效率的96%（图3）。总之，本研究提出了一种更高效、稳定、快速且成本更低的羟基化方法，实现了更高质量的SAM锚定，从而实现了高效稳定太阳能电池的构建。
图3 太阳能电池器件性能
北京大学物理学院2024届博士毕业生骆超（现为新加坡国立大学博士后）、华中科技大学博士后周琪森，以及北京大学与四川大学联合培养博士生王科力为论文的共同第一作者；赵清教授、华中科技大学刘宗豪教授和新加坡国立大学侯毅教授为论文的共同通讯作者。上述研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划和教育部纳光电子前沿科学中心等的支持。
论文原文链接：https://doi.org/10.1038/s41563-025-02275-x
