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富胺交联模板,让 SAM 更“强韧”, 钙钛矿器件高效更稳定
富胺交联模板,让 SAM 更“强韧”, 钙钛矿器件高效更稳定
钙钛矿小电池 27.07%，700 cm² 组件 18.48%，暗态 10190 小时保持 94.19% 来源： Science Advances, 2026, 12(38), eaeg3206论文： Amine-rich cross-linking templates enabling toughened self-assembled monolayer for stable perovskite solar modules作者： Zhinan Zhang, Sifan Chen, … Zhenhua Yu 等DOI： 10.1126/sciadv.aeg3206 在高效 p-i-n 钙钛矿太阳能电池中，自组装单层（SAM）是最受欢迎的空穴选择材料之一。但它有一个“老大难”：湿法沉积时容易自聚集、覆盖不均、与 TCO 基底粘附不够牢，做大面积组件时尤其明显。结果就是——针孔、漏电、埋底界面退化，效率和稳定性一起受影响。 
Fig. 1. The molecular structures and chemical interactions of MeO-2PACzand PEIE. (A) The mechanism of ionic bonding between MeO-2PACzand PEIE. (B) Electrostaticpotentials and molecular dipoles of MeO-2PACzand MeO-2PACz+ PEIE. (C) Particle size distribution in MeO-2PACzand MeO-2PACz+ PEIE solutions determinedthrough DLS characterization. (D) 1H-NMR spectroscopy and (E) FTIR spectroscopy of MeO-2PACzand MeO-2PACz+ PEIE. (F) The force-displacementcurve of theperovskite films. Inset: structure used for tensile stress measurement. 这篇 Science Advances 提出一种富胺交联模板策略：把聚乙烯亚胺（PEIE）引入 MeO-2PACz 溶液，通过质子交换形成离子键，构建 PEIE-SAM 网络模板。它像“骨架”一样引导 SAM 均匀组装，抑制自聚集，提高覆盖率和粘附力，同时改善钙钛矿前驱液润湿性，减少针孔和界面降解。 最终，器件效率与稳定性同时突破： ■ 小面积 PSC：冠军效率 27.07%，认证 26.39% ■ 14.40 cm² 迷你模块：冠军效率 24.03% ■ 700 cm² 子模块：冠军效率 18.48% ■ 未封装迷你模块：ISOS-D-1 暗态 10190 小时保持 94.19%；ISOS-L-2 光照 744 小时保持 93.37% 一、痛点：SAM 很好，但大面积“长不匀、粘不牢” SAM 分子通常由锚定基团、间隔基团和端基组成，能锚定在 TCO 表面，实现空穴选择。但在槽模涂布、刮涂等大面积工艺中，问题会被放大： SAM 本身疏水，湿法沉积易自聚集； 在 FTO 纳米谷底或 P1 沟槽处容易堆叠； 覆盖度低、取向随机； 钙钛矿与 TCO 直接接触，形成漏电通道； SAM 可能脱附、迁移，诱发埋底界面降解。 已有方案如溅射 NiOx、Co-SAM 添加剂、分子设计等，但要在大面积均匀性、近单层结构、抗脱附之间取得平衡，仍然很难。 二、策略：用 PEIE 给 SAM 搭“交联模板” 研究团队把 PEIE 混入 MeO-2PACz 溶液，再通过槽模涂布沉积到 TCO 基底上。 核心机制是： PEIE 的胺基与 MeO-2PACz 的膦酸基发生质子转移； 形成离子键和增强的库仑相互作用； 构建出 PEIE-SAM 复合网络模板； 抑制 SAM 自聚集，促进均匀、致密、高覆盖的 SAM 膜生长。 关键证据： 偶极矩从 1.41 D 增至 2.97 D，静电吸引增强； DLS 平均粒径从 301.10 nm 降至 48.89 nm，自聚集明显减少； ¹H NMR 低场位移：3.73 → 3.79 ppm，证实质子转移； FTIR 中 P-OH 弯曲振动发生位移，P-O 峰出现，支持离子键形成； XPS：P/In 原子比从 14.76 提高到 16.09；DMF 冲洗后，对照组降至 6.32，PEIE 组仍保持 8.40，说明覆盖更稳； 界面拉伸强度从 385.67 N 提高到 487.53 N，粘附更强； 水接触角从 74.72° 降至 42.59°，润湿性显著改善。 更重要的是，PEIE 层非常薄且不连续，厚度仅约 0.99 nm，不会明显增加串联电阻。SAM+PEIE 膜厚 3.09 nm，低于纯 SAM 的 5.44 nm，说明自聚集被抑制，结构更接近致密单层。 
Schematic of self-assemblyprocesses for MeO-2PACzandMeO-2PACzwith polymer network templates in the slot-diecoating process. 三、成膜质量：更平整、更均匀、更少针孔 PEIE 模板让 SAM 和钙钛矿薄膜质量同步提升： ITO/SAM 的 AFM RMS 从 3.45 nm 降至 3.13 nm； KPFM 表面电势更集中：335.69 mV → 283.66 mV； PiFM 显示 PEIE 样品锚定更均匀，自聚集和针孔明显减少； 钙钛矿底界面和顶面针孔大幅降低； 钙钛矿 RMS 从 5.88 nm 降至 4.51 nm； KPFM FWHM 从 40.78 mV 降至 23.65 mV； 30 cm × 30 cm 钙钛矿薄膜九区 PL mapping 显示，PEIE 样品强度更均匀、分布更集中。 简单说：SAM 长得好，钙钛矿也长得好；埋底界面更致密，针孔和漏电被压下去。 
ITO/SAM and (H) ITO/SAM + PEIE substrates by slot-dieprocess, the perovskite film size is 30 cm × 30 cm. 四、载流子行为：提取更快，非辐射复合更低 PEIE 改性后，埋底界面的能级匹配和空穴提取也得到优化： UPS 功函数从 4.67 eV 移至 4.73 eV，与钙钛矿价带更匹配； PL 强度降低且更均匀，说明空穴提取增强； TRPL 平均寿命从 353.00 ns 降至 169.70 ns； 快衰减组分 τ₁ 从 16.61 ns 降至 13.72 ns； PLQY 从 6.77% 提升至 7.74%； QFLS 从 1.20 V 提升至 1.21 V； 非辐射复合导致的 VOC 损失从 70.03 mV 降至 66.53 mV； 瞬态吸收 GSB 衰减从 10454.88 ps 降至 2995.48 ps； 理想因子从 1.72 kBT/q 降至 1.26 kBT/q； 暗电流密度明显降低，漏电被抑制。 这些结果共同说明：PEIE 网络模板不仅改善了成膜，还优化了界面电荷传输，减少了非辐射复合损失。 五、器件性能：小电池、迷你模块、子模块全面突破 1）小面积 PSC ■ 冠军效率：27.07% ■ 认证效率：26.39% ■ VOC：1.192 V ■ JSC：26.18 mA/cm² ■ FF：86.73% ■ 有效面积：0.09 cm² ■ 平均效率：25.68 ± 0.52% ■ MPP 稳定输出：26.42%，持续 300 s 2）14.40 cm² 迷你模块 ■ 冠军效率：24.03% ■ VOC：7.177 V ■ JSC：4.131 mA/cm² ■ FF：81.04% ■ 平均效率：20.23 ± 1.09% ■ 对照模块冠军效率：20.22% ■ 窄死区宽度：239 μm，几何 FF 约 96.70% ■ MPP 稳定输出：23.47%，持续 360 s 3）700 cm² 子模块 ■ 44 节子电池串联 ■ 冠军效率：18.48% ■ VOC：51.79 V ■ JSC：0.39 A ■ FF：64.05% ■ 孔径面积：700 cm² ■ 从旋涂小电池到槽模涂布大面积组件，这一策略展现出良好的可扩展性。 
(A) The J-Vcurves and (B) the certified J-Vcurves of champion PSC under reverse scan with anactive area of 0.09 cm2. (C) The statistics of PCE of the mini-modules.(D) The J-Vcurves of champion mini-moduleunder reverse scan with an aperture area of 14.40 cm2.Inset: schematic diagram of the PSMs. (E) The MPP of the mini-moduledeposited on ITO/SAM + PEIE substrates. (F) The I-Vcurves of champion submodule under reversescan with series connection of 44 subcells (aperture area of 700 cm2). Inset: the photograph of 30 × 30 cm PSM. (G) ISOS-L-2stability testing of the mini-moduleat continuousMPP and 1-sunirradiation with WLED light at 55° to 65°C. Inset: photograph of the mini-module.The initial efficiencies of the control and PEIE-modifiedmini-moduleare 19.85 and 23.11%, respectively. (H) ISOS-D-1stability testing of the mini-moduleat dark and open-circuitvoltage conditions at room temperature (15° to35°C). Inset: photograph of the mini-module.The initial efficiencies of the control and PEIE-modifiedmini-moduleare 20.09 and 23.05%, respectively. (I) ISOS-O-2stabilitytesting of submodule at real world (temperature: 15° to 30°C, relative humidity: 50 to 70% RH). The initial efficiencies of PEIE-modifiedsubmodule are 17.93% (J) TOF-SIMSdepth profile of PO2− signal for control and PEIE modified films after aging. 2D TOF-SIMSmapping of PO2− signal for (K) control and (L) PEIE modified films after aging. 六、稳定性：暗态 10190 小时，光照 744 小时 稳定性是这篇工作的另一大亮点。 未封装迷你模块 ISOS-D-1 暗态、开路、15–35°C： PEIE 模块 10190 小时后保持 94.19% 对照模块 3340 小时后仅剩 81.60% ISOS-L-2 连续 MPP、1 sun、55–65°C： PEIE 模块 744 小时后保持 93.37% 对照模块 500 小时后已低于 73% PSC 与子模块 PSC 在 ISOS-L-2 下 2420 小时后保持 >98.50% PSC 在 ISOS-L-3（85°C，55–75% RH）下 504 小时后保持 88.92% 子模块在 ISOS-O-2 户外条件下 25 天后保持 90.96% 为什么更稳定？ TOF-SIMS 显示，老化后对照组钙钛矿层中出现明显增强的 PO₂⁻ 信号，说明 SAM 分子脱附并迁移进入钙钛矿；而 PEIE 改性样品中 PO₂⁻ 信号更少，SAM 与 TCO 保持稳定结合。 光浸泡 1 周后，对照基底出现微米级团聚和针孔，PEIE 基底仍保持较均匀电势分布。用老化 SAM 基底制备器件时： 对照平均 PCE 从 23.66 ± 0.55% 降至 19.22 ± 1.24% PEIE 器件平均 PCE 从 25.55 ± 0.39% 降至 23.39 ± 0.75% 说明 PEIE 交联网络有效抑制了 SAM 脱附和界面退化。 七、结论与意义 这项研究用富胺 PEIE 交联模板，同时解决了 SAM 在大面积沉积中的几个关键问题： 抑制自聚集，形成均匀、高覆盖、近单层的 SAM； 增强界面粘附，减少 SAM 脱附和离子迁移； 改善润湿性，促进致密、无针孔钙钛矿成膜； 优化能级匹配和空穴提取，降低非辐射复合； 兼容旋涂和槽模涂布，从小电池到 700 cm² 子模块均可扩展。 最终实现了： PSC 27.07%（认证 26.39%） 14.40 cm² 迷你模块 24.03% 700 cm² 子模块 18.48% 未封装迷你模块暗态 10190 小时保持 94.19% 光照 744 小时保持 93.37% 这为高效、稳定、可放大的 p-i-n 钙钛矿太阳能组件提供了一条有前景的埋底界面工程路线。 
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