β-胍基丙酸作为共组装策略中的次级组分提升倒置钙钛矿太阳能电池性能的研究

为解决自组装分子(SAMs)在倒置钙钛矿太阳能电池(PSCs)中因成簇沉积导致的界面缺陷问题，研究人员通过将β-胍基丙酸(β-GUA)引入MeO-2PACz形成共组装单层(Co-SAM)，实现了均匀的SAM层分布和钙钛矿埋底界面多重钝化。该策略使器件效率提升至23.20%，填充因子(FF)达86.27%，并在高湿(65% RH)和高温(60℃)环境下展现出显著稳定性提升，为Co-SAM设计中次级组分的选择提供了新思路。

　　

在追求清洁能源的浪潮中，钙钛矿太阳能电池(PSCs)因其惊人的光电转换效率(PCE)成为研究热点，其中倒置结构器件更是通过自组装分子(SAMs)作为空穴传输层(HTL)实现了27%的认证效率。然而，这些两亲性分子在醇溶剂中易形成胶束，导致在粗糙基底上沉积为团簇，产生SAM层空隙，使得钙钛矿活性层与电极直接接触——这一致命缺陷不仅引发界面电荷复合，更会加速器件性能衰减。如何构建致密均匀的SAM层，同时实现钙钛矿埋底界面的有效钝化，成为突破效率与稳定性瓶颈的关键难题。

合肥工业大学化学与化工学院先进功能材料与器件安徽省重点实验室的研究团队独辟蹊径，提出以含羧基的β-胍基丙酸(β-GUA)作为次级组分，与[2-(3,6-二甲氧基-9H-咔唑-9-基)乙基]膦酸(MeO-2PACz)主组分构建共组装单层(Co-SAM)。这项发表于《Next Energy》的研究揭示，β-GUA的强碱性胍基不仅能通过酸碱相互作用瓦解SAM胶束，其多重配位能力还可同步钝化钙钛矿界面未配位的Pb²⁺和甲脒离子(FA⁺)空位，最终实现"一石三鸟"的效果——均匀的SAM层沉积、优化的能级排列以及显著降低的界面缺陷密度。

研究团队运用了多项关键技术：通过核磁共振氢谱(¹H NMR)证实β-GUA与MeO-2PACz的酸碱相互作用；采用开尔文探针力显微镜(KPFM)和原子力显微镜(AFM)表征SAM层均匀性；结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)解析界面钝化机制；借助空间电荷限制电流(SCLC)和莫特-肖特基分析量化缺陷密度与内建电势；最后通过稳态/瞬态荧光光谱(PL/TRPL)验证空穴提取效率提升。

均匀性提升的分子机制

KPFM测试显示Co-SAM薄膜接触电位差(CPD)分布更窄，表面电势波动从2.45 nm降至2.23 nm，证实β-GUA的引入有效抑制了SAM聚集。动态光散射(DLS)数据表明12%摩尔分数的β-GUA可使胶束尺寸最小化，而¹H NMR中胍基邻位亚甲基峰向低场位移(2.41→2.39 ppm)，直接证明了磷酸基团与胍基的质子化作用。

界面钝化的化学本质

FTIR谱图中，PbI₂-β-GUA复合物的C=N伸缩振动峰蓝移3.86 cm^-1，N-H振动峰红移7.72 cm^-1，说明胍基中的氮原子与Pb²⁺配位，同时-NH₂与I^-形成氢键。对于FAI终止界面，胍基可填补FA⁺空位，其-NH₂与FA⁺的氢键作用使N-H振动峰红移3.86 cm^-1。XPS中Pb 4f、I 3d和N 1s峰的系统性负移进一步验证了电子耦合效应。

结晶质量的飞跃

SEM显示Co-SAM基底上钙钛矿底部孔洞消失，晶粒尺寸从410 nm增至522 nm。XRD中(001)晶面衍射强度提升且PbI₂特征峰减弱，证实β-GUA延缓晶体生长并抑制PbI₂偏析。接触角测试表明基底亲水性提升(55.4°→47.7°)，促进前驱体溶液铺展，这与UV-vis吸收增强的结果相互印证。

器件性能的突破

SCLC测试测得陷阱密度从3.21×10¹⁵ cm^-3降至2.68×10¹⁵ cm^-3，内建电势(V_bi)提升至0.92 V。最优器件实现23.20%的PCE和86.27%的FF，滞后效应从3.4%降至2.8%。稳定性测试中，未封装器件在65% RH环境下768小时后保持83%初始效率，35% RH下1008小时仍保持92%，60℃热老化240小时后效率保留率达69%，显著优于对照组。

这项研究开创性地将生物分子β-GUA引入光伏器件界面工程，其胍基的多重功能化设计为Co-SAM策略提供了全新分子构建思路。通过精准调控SAM组分间的酸碱相互作用与界面配位化学，研究人员同时攻克了薄膜均匀性、能级匹配和缺陷钝化三大难题，为制备高效稳定钙钛矿太阳能电池提供了普适性策略。该成果不仅推动SAM基HTL向实际应用迈出关键一步，更为多功能分子界面设计开辟了新航道。