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编辑丨风云

研究背景

基于分子的选择性接触由于其极低的寄生吸收、良好的界面能级排列及高效的电荷选择性提取能力，已成为实现高效率反式钙钛矿太阳能电池（PSCs）的核心策略。

关键问题

目前，选择性接触的研究主要存在以下问题：

1、分子锚定作用微弱

传统设计中，分子通过弱物理吸附或有限的平面界面与基底结合，导致附着力不足以对抗外部应力，分子极易脱落。

2、界面结构稳定性差

受热或光照影响，分子的脱附与迁移会破坏原有的电荷提取动力学，导致分子堆积架构变形甚至塌陷，引发器件效率的快速衰减。

新思路

有鉴于此，浙江大学薛晶晶等人报告了一种通用的体相纳米异质界面架构，重构了基于分子的选择层。通过合理设计的纳米支架，大幅增加的化学界面和增强的结合力显著提高了器件的运行稳定性，并实现了高效率。该策略具有普适性，成功应用于多种分子体系以增强器件性能，且在通过可扩展刮涂工艺生产的大面积器件中依然有效。

技术方案：

1、构建了体相纳米异质界面并进行了结构表征

研究人员制备FA DJ自驱动光电探测器，厚膜EQE稳定增长，零偏压下比探测率高达10¹³ Jones，响应速度优于对比器件，应用潜力大。

2、解析了分子组装与化学键合的形成机制

作者通过NMR、TR-DLS和DFT等表征，证实Py3分子通过磷酸基团与SiO_x纳米颗粒形成强共价键（P-O-Si），结合能高达-10.89 eV，组装体稳定性优异。

3、展示了光伏性能及商业化应用潜力

研究人员开发SiO_x-Py3纳米异质界面钙钛矿电池，效率达26.5%，2500小时后保持98%，32.5 cm²组件效率23.0%，打破了寿命与效率权衡。

技术优势：

1、重构了界面架构

研究引入二氧化硅（SiO_x）纳米颗粒作为支架，将原本脆弱的平面接触转化为三维体相纳米异质界面，极大增强了分子间的结合力和接触面积。

2、实现了效率与稳定性双赢

本文实现了高达26.5%的纪录级效率，并在60°C工作约2500小时后仍能保持98%的初始效率，同时证明了该方案在大面积商业化刮涂组件（23.0%效率）中的巨大潜力。

技术细节

体相纳米异质界面的构建与结构表征

研究人员通过将定制的Py3分子引入SiO_x纳米颗粒分散液中引发分子组装，重构了传统的空穴选择层。实验结果显示，传统的纯Py3膜在X射线衍射（XRD）中表现出明显的11.5°衍射峰，意味着分子呈长程有序排列；而SiO_x分子薄膜则无明显衍射信号，表明纳米颗粒打断了分子的长程有序组装，使其呈现非晶态堆积。利用高分辨率宽带和频振动光谱（SFG-VS）进一步探测发现，纯分子膜在界面处具有高度有序的自组装单层特征，而加入SiO_x后相关振动峰消失，印证了界面分子排列的无序化。此外，偏振拉曼光谱（p-Raman）显示纯分子膜具有结构各向异性，而SiO_x分子膜表现出各向同性，这进一步证实了分子不再依赖单一平面接触，而是被牢牢固定在纳米颗粒表面。原子力显微镜（AFM）图像显示，SiO_x的加入使薄膜表面粗糙度增加，构建了具有巨大接触面积的体相纳米异质界面，从而将分子“锁定”在纳米支架上，避免了松散堆积。这种结构重构不仅保障了电荷传输的高效性，更从根本上提升了界面的物理稳固程度。

图  用于分子基选择性接触的体纳米异质界面的构建

分子组装与化学键合的形成机制

通过¹H核磁共振（NMR）光谱分析，研究人员观察到在引入SiO_x纳米颗粒后，Py3分子的质子信号发生了明显的上场位移，这标志着分子堆积构型的改变以及与纳米颗粒间的强相互作用。31P NMR 谱图显示磷酸基团的共振峰从24.81 ppm移动至24.28 ppm，确证了分子通过磷酸基团锚定在SiO_x表面。时间分辨动态光散射（TR-DLS）实时监测发现，混合后胶体尺寸从80 nm增长至约200 nm并趋于稳定，表明分子在SiOx表面成功完成了胶束化反应和组装。密度泛函理论（DFT）计算进一步揭示，Py3与SiO_x的结合能高达-10.89 eV，远强于其与常规ITO基底的结合（-5.14 eV），这种强力的共价键（P-O-Si）通过水分子脱除形成，具有极高的热力学稳定性。傅里叶变换红外光谱（FTIR）也验证了这一观点：在SiO_x存在下，分子的P-O键振动峰几乎消失，而作为对比的氧化铟（InO_x）纳米颗粒则无法产生此种强作用。X射线光电子能谱（XPS）中P 2p和Si 2p峰位的偏移进一步在固态薄膜层面证实了这种化学键合的持久性，确保了组装体在后续加工过程中不会崩塌。

图  纳米胶束和本体纳米异质界面的形成机理

图  膜的稳定性和策略的通用性

光伏性能展现及商业化应用潜力

在器件性能方面，基于SiOx-Py3体相纳米异质界面的钙钛矿电池实现了26.5%的冠军能量转换效率（PCE），且经过权威机构认证的稳态效率达26.3%。相比之下，纯分子对照组效率仅为25.7%。这种性能提升得益于纳米结构带来的界面润湿性改善（接触角从20.0°降至10.8°），使得钙钛矿前驱液能更均匀地铺展，并形成相互穿插的电荷传输网络。该策略表现出极强的通用性，在2PACz和MeO-2PACz等多种常用空穴传输分子体系中均实现了效率提升。稳定性测试显示，目标器件在60°C的最大功率点追踪（MPPT）下运行约2500小时后，仍能保持98%的初始PCE；在65°C连续光照下2000小时后保持率超过99%，远超对照组。在可扩展性验证中，利用刮涂法制备的小面积器件效率达25.1%，而孔径面积为32.5 cm²的太阳能组件实现了23.0%的高效率，相较于对照组的18.1%有了显著跨越。这一成果打破了钙钛矿电池在追求长寿命与高效率之间的权衡，为有机-无机杂化电子器件的界面设计提供了新的范式。

图  光伏性能

展望

本研究通过引入SiO_x纳米颗粒支架，成功开发出一种通用的体相纳米异质界面架构，解决了分子选择层在钙钛矿太阳能电池中易脱附和不稳定的根本难题。该方案不仅通过强共价键显著增强了界面的机械与热稳定性，还通过优化界面接触显著提升了电荷提取效率。这一创新设计在提升实验室小型电池效率的同时，在商业化刮涂组件中展现出巨大的实用价值，为各种有机-无机电子器件的分子界面工程提供了关键的理论依据和技术路径。

参考文献：

Luo, Y., Shen, J., Zhao, K. et al. Bulk nano-heterointerface secures molecular contacts in perovskite solar cells. Nat. Mater. (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41563-026-02546-1

通讯作者简介：

薛晶晶，浙江大学材料科学与工程学院、硅材料国家重点实验室“百人计划”研究员、博士生导师。入选国家海外高层次人才引进计划、《麻省理工科技评论》亚太区“35岁以下科技创新35人” (MIT Technology Review "Innovators Under 35”, Pacific Asian）、福布斯中国30岁以下精英榜（Forbes China 30 under 30）。2016年9月于南京大学化学化工学院取得学士学位，2020年5月于加州大学洛杉矶分校材料科学与工程学院取得博士学位，师从半导体光电材料与器件领域国际著名学者Yang Yang教授，期间曾赴斯坦福大学材料科学与工程学院崔屹教授课题组访学，博士毕业后在加州大学洛杉矶分校继续博士后研究工作。于2021年全职加入浙江大学材料科学与工程学院，成为浙江大学当时最年轻的博导。目前主要从事金属卤化物钙钛矿光电材料与器件研究。先后共发表SCI论文40余篇，其中以第一或通讯作者在Science、Nature、Nat. Photonics、Nat. Chemistry、Nat. Energy、Nat. Comm.、Nat. Rev. Mater.、Adv. Mater、Joule、J. Am. Chem. Soc.等高水平期刊发表学术论文近20篇。多篇论文入选ESI热点和高被引论文，成果曾受到包括科学美国人、福布斯等多家国际知名媒体的广泛报道。担任Nature, Nat. Comm., Joule, Energ. Environ. Sci., J. Am. Chem. Soc. 等国际著名期刊审稿人。

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