特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨米測MeLab
編輯丨風云
研究背景
鈣鈦礦太陽能電池代表了一類有希望的光伏應用，在短時間內達到了出色的性能。基于分子的選擇性接觸（MSC）已成為在鈣鈦礦太陽能電池中達到高功率轉化效率（PCE）的關鍵成分。
關鍵問題
然而，目前鈣鈦礦電池的應用主要存在以下問題：
1、目前鈣鈦礦電池存在界面結構穩定性不足的問題
當前用于構建MSC的有機分子在實際應用中表現出較差的穩定性。這些分子在外部刺激下容易發生相變或結構崩潰，導致界面結構的有序排列被破壞，從而限制了鈣鈦礦電池的長期耐用性。
2、載流子選擇性和運輸效率存在平衡難題
雖然擴展的共軛核心和π-π相互作用有助于實現高效的載流子運輸，但這些特性也使得分子排列傾向于結晶化，進一步增加了結構的不穩定性。因此，如何在保持載流子選擇性和運輸效率的同時，增強界面結構的穩定性，以提高鈣鈦礦太陽能電池的功率轉化效率（PCE）和長期耐用性，仍然是一個亟待解決的挑戰。
新思路
有鑒于此，浙江大學楊德仁院士、薛晶晶、鄧天琪以及西湖大學王睿等人證明了與正交π骨架的分子接觸，該分子與常用的共軛核表現出對外部刺激更好的彈性。該分子設計產生了無序的無定形結構，不僅高度穩定，而且表現出非凡的電荷選擇性和運輸能力。用這種正交π-骨架分子制造的鈣鈦礦太陽能電池在加速年齡測試中表現出增強的長期耐用性。這種正交π-骨架功能為有機電子應用的分子設計開辟了新的機會。
技術方案：
1、通過引入正交π-骨架誘導的結構無序
作者設計了新型分子SAX，其正交π骨架結構導致分子高度無序堆積，有效避免了分子結晶，為鈣鈦礦太陽能電池的分子設計提供了新思路。
2、對比了4PACz和SAX薄膜在不同外部刺激下的結構和電荷傳輸穩定性
作者對比了4PACz和SAX薄膜在高溫和機械應力下的穩定性。結果顯示，4PACz易聚集且電導率下降，而SAX因正交π骨架的無序結構，表現出更高的穩定性和電荷傳輸能力，表面形貌和電導率保持穩定，具有更好的應用前景。
3、評估了使用SAX作為MSC的鈣鈦礦太陽能電池的性能
作者證實了使用SAX作為MSC的鈣鈦礦太陽能電池在性能和穩定性上顯著優于傳統4PACz，實現了25.1%的PCE， FF達到83.4%。
技術優勢：
1、創新地設計了具有無序無定型結構的正交π骨架的分子結構
作者開發了一種具有正交π骨架的分子結構，這種結構表現出高度無序的無定形特性，能夠更好地適應外部壓力和刺激，不僅提高了鈣鈦礦太陽能電池的長期耐用性，還在加速老化測試中表現出顯著的性能優勢。
2、設計的分子結構表現出卓越的電荷選擇性和運輸能力
作者設計的正交π骨架分子不僅在電荷傳輸方面表現出色，還能在實際應用中維持高效的功率轉化效率（PCE）。無定形MSC的鈣鈦礦太陽能電池在50°C下運行超過2500小時后，仍能保持超過90%的初始PCE。
技術細節
正交π-骨架誘導的結構無序
作者設計并合成了一種新型分子（SAX），用于構建鈣鈦礦太陽能電池中的選擇性接觸。與常用的基于咔唑共軛核的分子（4PACz）不同，SAX引入了正交π共軛單元，導致分子半體幾乎垂直排列。在ITO玻璃基板上加工成薄膜時，4PACz表現出明確的XRD峰，表明其分子長程有序堆積，而SAX膜則沒有明顯衍射峰，表明其分子堆積高度無序。偏振相關的拉曼光譜分析也顯示，4PACz具有各向異性，而SAX的分子骨架相對隨機排列。此外，SAX在界面處的分子堆積有序性顯著降低，進一步證實了其高度無序的非晶相特性。這種設計有效阻止了分子的有序自堆疊和結晶，為鈣鈦礦太陽能電池的分子設計提供了新的思路。
圖 分子設計和堆疊行為
增強對外界刺激的抵抗力
作者通過AFM、MD模擬、XRD、表面增強拉曼光譜（SFG-VS）和導電原子力顯微鏡（c-AFM）等多種技術，對比了4PACz和SAX薄膜在不同外部刺激下的結構和電荷傳輸穩定性。研究發現，4PACz薄膜在高溫老化和機械應力下易出現分子聚集和電導率下降，而SAX薄膜由于其無序的正交π骨架結構，表現出更高的結構穩定性和電荷傳輸能力。具體而言，4PACz薄膜在65°C老化400小時后出現明顯聚集，而SAX薄膜表面形貌幾乎不變。機械應力測試表明SAX顯示出更好的機械應力抵抗力。MD模擬顯示，4PACz分子在退火后易聚集，π-π堆疊被破壞，而SAX分子的無序堆積模式在退火后保持不變。XRD和SFG-VS進一步證實了SAX薄膜在長時間暴露于激光束下結構無序性的持續性。c-AFM測量表明，SAX薄膜具有更高的電荷傳輸能力，且在機械應力下電導率保持穩定，而4PACz薄膜電導率顯著下降。UPS結果顯示，SAX薄膜具有更明顯的p型特性，表面電位分布更均勻，且在機械拉伸后能量水平不受影響。這些結果表明，SAX薄膜的無序結構為其在實際應用中提供了顯著優勢，特別是在結構穩定性和電荷傳輸能力方面。
圖 無定性誘導的結構穩定性
圖 分子膜的電子特性
光伏性能
作者進一步評估了使用SAX作為分子選擇性接觸（MSC）的鈣鈦礦太陽能電池的性能，發現其在光伏效率和穩定性方面顯著優于傳統4PACz。基于SAX的器件實現了25.1%的最高光電轉換效率（PCE），填充因子（FF）達到83.4%，而4PACz器件的PCE為22.4%，FF為78.1%。SAX的無序分子堆疊結構使其在高溫和機械應力下表現出更高的穩定性，器件在85°C老化1000小時后仍保持95%以上的初始PCE。此外，SAX在柔性基底上也展現出優異的性能，機械拉伸后PCE幾乎無退化，而4PACz器件的PCE顯著下降。這些結果表明，SAX作為一種新型MSC材料，能夠顯著提升鈣鈦礦太陽能電池的性能和穩定性，具有廣闊的應用前景。
圖 光伏性能
展望
總之，作者開發了一種獨特的共軛核心，提供了無定形結構。這種高度無序的結構歸因于其在分子排列和電荷傳輸途徑方面的靈活性更大，與晶體刺激相比，對外部刺激的彈性增強了。鈣鈦礦太陽能電池設備在PCE和操作穩定性方面都有改善。本工作在不損害電子特性的情況下呈現非晶態的獨特π骨架設計可能會激發未來的研究，以釋放有機電子分子家族的全部潛力。
參考文獻：
Zhou, J., Luo, Y., Li, R. et al. Molecular contacts with an orthogonal π-skeleton induce amorphization to enhance perovskite solar cell performance. Nat. Chem. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41557-025-01732-z
