近年来，钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其效率和稳定性的快速提升而迅速发展。根据各功能层的空间分布，PSCs可分为倒置（p-i-n）和正式（n-i-p）两种结构。与常规PSCs相比，倒置PSCs表现出更高的稳定性和光电转换效率（PCE），目前其最高效率已达到27.0%。此外，倒置PSCs还可用于构建钙钛矿/硅叠层太阳能电池，其最新效率已达到34.6%。然而，进一步提升钙钛矿/硅叠层太阳能电池的效率和稳定性仍面临诸多挑战。第一个挑战是如何制备高质量的自组装单分子层（SAMs）以实现高效的空穴传输。目前，SAMs通常被用作高效倒置PSCs中的空穴传输层（HTLs），例如[2-(9H-咔唑-9-基)乙基]膦酸（2PACz）、[2-(3,6-二甲氧基-9H-咔唑-9-基)乙基]膦酸（MeO-2PACz）和(4-(3,6-二甲基-9H-咔唑-9-基)丁基)膦酸（Me-4PACz）等。然而，SAMs往往容易在基底上聚集，导致HTL不均匀，从而引起电流泄漏和钙钛矿薄膜的不均匀分布，限制了倒置PSCs的性能提升。第二个挑战是倒置PSCs中由杂化钙钛矿的有机组分引起的不稳定因素。与有机-无机钙钛矿相比，全无机碘化铯铅（CsPbI₃）钙钛矿在光照和热应力下更稳定，并且非常适合与硅组成叠层太阳能电池，从而实现全无机叠层太阳能电池。

近日，陕西师范大学刘治科教授和大连理工大学于泽教授，专门开发了一种新型三苯胺功能化铵盐TPAI（4-(氨甲基)-N,N-二苯基苯胺碘化物）作为共组装材料用于倒置全无机CsPbI₃钙钛矿太阳能电池中以实现SAM的有序组装。密度泛函理论（DFT）计算和和频振动（SFG）分析表明，TPAI可以通过π-π相互作用与SAM结合，有效改善SAM在表面的有序组装。此外，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）和扫描电子显微镜（SEM）表征证实，共组装的TPAI可以通过–NH₃和Pb的相互作用与上层的钙钛矿结合，这有助于钙钛矿溶液的铺展，从而提高钙钛矿薄膜的质量。因此，经过TPAI处理的器件实现了1.26 V的高开路电压（V_OC）和21.60%的光电转换效率，这是目前报道的倒置CsPbI₃ PSCs的最高效率。此外，TPAI处理的器件表现出良好的运行稳定性，在最大功率点（MPP）下跟踪1400小时后，仍保持了初始效率的96.71%。

埋底界面研究：经过TPAI处理后，SAM基底的表面形貌和疏水性发生显著变化，SAM覆盖率逐步提升，暗孔数量减少，基底表面更加光滑且亲水性增强。同时，钙钛矿薄膜的结晶性显著提高，粗糙度大幅降低，光致发光光谱（PL）中峰强度明显减弱，表明空穴传输能力得到有效改善。

进一步对埋底界面的研究发现，与对照薄膜相比，经TPAI处理的薄膜表面形貌更加平滑致密，晶粒尺寸分布更为均匀。此外，埋底界面的表面电势显著提升，这更有利于在界面处阻挡电子并促进空穴传输。

释放残余应力：同时通过掠入射广角 X 射线散射（GIWAXS）观察到TPAI分子能够将钙钛矿薄膜中的残余拉应力转变为压应力，提升薄膜的稳定性。

相互作用机理：TPAI中三苯胺（TPA）基团的富电子特性会与SAM中的咔唑分子产生强烈的π-π相互作用；此外，TPAI通过–NH₃与Pb的相互作用与钙钛矿结合，有助于钙钛矿溶液的铺展，从而提高钙钛矿薄膜的结晶性并减少陷阱态。

DFT计算结果：模型A的结合方式最强，其中向下的膦酸基团能够锚定在NiO_x表面，而向上的-NH₃基团则与钙钛矿形成稳定结合。因此，TPAI通过π-π相互作用促进了SAM的有序排列，同时通过与PbI₂和CsI的相互作用，提高了钙钛矿埋底界面的质量，从而显著提升了PSCs的光伏性能。

器件光伏性能：通过对器件的多项测试发现TPAI的引入可以促进电荷传输，减少器件中的漏电流和串联电阻，增大并联电阻和内建电场，促进载流子传输，降低非辐射复合。因此，TPAI优化后的器件获得了倒置CsPbI₃ PSCs的记录光电转换效率（21.60%）和稳定输出效率。

薄膜和器件稳定性：TPAI优化的钙钛矿薄膜在相对湿度为35%的条件下放置144小时，仍能够保持黑相；在室温大气环境条件下存储2000小时，优化器件能够保持其初始效率的95.88%；封装的TPAI器件在一个太阳光下连续照射1400小时后保持其初始效率的96.71%。

本研究通过设计并合成了一种三苯胺功能化的共组装材料，为制备高效稳定的无机CsPbI₃钙钛矿太阳电池提供了一条可行的途径。

A Triphenylamine-Functionalized Co-Assembly Material for Record Efficiency Inverted CsPbI₃ Perovskite Solar Cells

Dongfang Xu, Huaiman Cao, Zihao Fan, Baihui Wang, Yongzhe Li, Rui Sun, Yong Li, Jieke Tan, Hongjie Lei, Prof. Yuwei Duan, Prof. Hongtao Bian, Prof. Ze Yu, Prof. Zhike Liu

文章的第一作者为陕西师范大学博士研究生徐东方和大连理工大学博士研究生曹怀满。论文通讯作者为陕西师范大学刘治科教授和大连理工大学于泽教授。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202502221