自组装单层膜（SAMs）在显著减少界面能量损失方面发挥了关键作用，从而实现了高性能钙钛矿太阳能电池（PSCs）和有机太阳能电池（OSCs）。南方科技大学程春&香港理工大学马睿杰&任志伟&李刚研究团队提出了一种共吸附（CA）策略，该策略采用了一种新型小分子2-氯-5-（三氟甲基）异烟酸（PyCA-3F），并将其引入2PACz与钙钛矿/有机层之间的掩埋界面。这种方法有效地减少了2PACz的聚集，提高了表面平滑度，并增加了改性SAM层的工作函数，从而为钙钛矿提供了一个平坦的掩埋界面和有利的异质界面。由此带来的结晶度提高、陷阱态最小化以及空穴提取和传输能力的增强，推动了具有p-i-n结构的PSCs的功率转换效率（PCEs）超过25%（经认证为24.68%）。采用CA策略的OSCs在基于PM1:PTQ10:m-BTP-PhC6光活性系统的条件下，实现了19.51%的显著PCEs。
空穴传输层（HTL）的评估
图1a展示了2PACz和PyCA-3F的化学结构。同时，也展示了2PACz自组装单层膜（SAMs）和CA SAMs的空穴传输层（HTL）制备方案；后者是通过依次沉积2PACz和PyCA-3F而形成的，期望构建一个共吸附的2PACz/PyCA-3F双分子表面。
通过原子力显微镜（AFM）测量对ITO和HTL的表面进行研究。从1b-d中显示的高度图像可以看出，ITO表面高度粗糙，这不利于薄膜的形成，导致较差的晶粒组织有序性和总体结晶度，从而导致光伏性能不佳。通过开尔文探针力显微镜（KPFM）测量了ITO、2PACz和CA的表面电势分布，如图1b-d的右侧面板所示。提取并展示了可以反映表面电势变化的接触电势差（CPD），如图1e所示。裸露的ITO的CPD约为310 meV。对于2PACz，CPD增加到380 meV，表明SAM沉积后形成了更具p型特征的表面。对于CA，获得的CPD为417 meV，表明PyCA-3F的掺入可以进一步提高功函数（WF）。此外，与ITO（25 mV）和2PACz（29 mV）相比，CA表面的半高全宽（FWHM）值更窄，为20 mV，表明获得了更加平滑和均匀的表面。
利用密度泛函理论（DFT）计算来理解PyCA-3F在2PACz上的结合情况。2PACz和PyCA-3F的静电势（ESP）如图2a所示。经典分子动力学模拟结果表明，尽管分子最初均匀放置在ITO表面附近，但2PACz/ITO表面仍经历了显著的相分离。如图2c和S8所示，PyCA-3F与2PACz的覆盖表面始终大于ITO上2PACz的覆盖表面，这表明PyCA-3F可以有效减少2PACz的聚集。两个系统的覆盖表面均随模拟时间的增加而增加，然后趋于平稳，这证实了SAMs在ITO表面达到了平衡状态。图2d进一步说明了ITO表面上2PACz和PyCA-3F之间的界面结构。分子动力学模拟结果表明，PyCA-3F通过形成复杂结构限制了2PACz分子的移动性，从而显著减轻了它们聚集的趋势。特别是，PyCA-3F中的三氟甲基基团与2PACz的膦酸基团形成氢键。这些复合物通过限制相邻2PACz分子之间的相互作用，在抑制较大聚集体的形成中起着至关重要的作用。已经观察到，PyCA-3F可以采取瞬态表面吸附模式，其中羧酸盐基团锚定在表面上，而三氟甲基基团则在其附近延伸。这种配置可以促进对其他未锚定的、自由扩散的2PACz分子的吸引，引导它们向表面移动。
为了更深入地了解PyCA-3F在埋底界面上的结合影响，研究团队引入了钙钛矿晶界槽角，这些槽角在残留溶剂蒸发过程中一致形成，引导自上而下的晶粒生长方向。假设PyCA-3F作为一种中介桥梁，影响钙钛矿/2PACz界面处的异质界面能改性。在图3e中，展示了晶界能（γGB）、异质界面能（γHI）、晶界槽二面角（φ）以及SAM/ITO与钙钛矿薄膜之间的侧角（θ）之间的相互作用。γGB与γHI之间的关系由以下方程定义：
图3f和g展示了通过高分辨率原子力显微镜（AFM）获得的剥离后的埋藏界面高度轮廓。对照薄膜（从2PACz上剥离）的埋藏晶界槽角（φ1）为51°。相比之下，PyCA-3F的结合导致了一个显著更大的槽角（φ2）为118°，这表明异质界面能显著增加。如图3h所示的槽角示意图所示，在PyCA-3F存在下，槽二面角的显著增大在缓解埋藏界面处物理纳米空洞的发生中起着关键作用。这一显著增长有助于有效减少埋藏界面处的界面陷阱和非辐射中心。
钙钛矿太阳能电池器件性能
CA钙钛矿薄膜中埋藏界面的VBM下移和轻微的p型偏移有助于缩小顶/埋藏界面之间的能隙，从而增强内置电场，改善载流子提取和传输。CA的埋藏界面显示出更集中的表面接触电势差（CPD），表明表面更平坦，电势分布差异更小。
团队评估了设备在约650小时连续65°C退火下的热稳定性。目标设备保持了其初始效率的92%（图4e）。在环境大气条件下通过最大功率点跟踪（MPPT）评估了设备的操作稳定性。如图4f所示，CA设备在跟踪1000小时后仍能保持其初始效率的约90%，而控制设备则迅速下降，在约450小时后效率降至72%。
https://doi.org/10.1038/s41467-024-51760-5
