能源危机、全球变暖和极端天气等全球性挑战迫使人类寻求清洁、可持续的替代能源解决方案。太阳能作为一种广泛存在的自然资源，其开发和利用被认为是解决能源危机和环境问题的重要途径之一。在各种可再生能源中，风能、水能和核能等可再生能源要么高度依赖于地理条件，要么存在巨大的潜在风险；而太阳能兼具清洁、安全、储量大等显著优势，已成为目前发展最快的可再生能源，开发利用太阳能对构建清洁低碳的能源体系、推进生态文明建设具有重要意义。

利用半导体界面的光生伏特效应将光能直接转变为电能是太阳能利用的一种理想途径。钙钛矿太阳能电池（PSCs）以其低成本、高效率、可液相制备、原料来源丰富等优点从众多的光伏器件中脱颖而出，其核心结构为“吸光层”和“传输层”组成的异质界面。近年来，通过组分工程、界面工程、外源介质引入等手段，已能够获得均匀稳定的类单晶钙钛矿薄膜；而传输层作为钙钛矿电池的核心组成部分，增强载流子传输能力、降低载流子复合速率已经成为进一步提升钙钛矿太阳能电池光电转换效率的研究难点之一，高性能半导体传输材料的开发已成为该领域的重点研究内容。

1. 钙钛矿太阳能电池的制备

基于反式钙钛矿太阳能电池器件的结构，在实验室手套箱内通过旋涂法制备电池器件。本项目旨在研究钙钛矿太阳能电池中的自组装结构，特别是针对Me-4PACz空穴传输层的润湿性较差问题，通过与其他传输层（如MeO-2PACz或2PACz）混合得到混合自组装层，以改善其润湿性较差的问题，从而提高电池器件的性能。项目将详细探讨不同混合自组装层的结构及比例对钙钛矿太阳能电池性能的影响，并通过性能测试与数据分析，验证得到高效自组装结构及器件。

2. 钙钛矿太阳能电池结构表征

利用SEM、TEM、XRD等表征手段来探究钙钛矿太阳能电池薄膜的微观结构与表面缺陷。获得薄膜的微观形貌，晶格结构、元素组成与化学价态等等信息，从分子原子角度分析钙钛矿薄膜，综合实验结果调控自组装层结构，最终实现高性能电池器件。

3. 钙钛矿太阳能电池性能测试

利用PL、TRPL、tDOS等表征探究钙钛矿太阳能电池的光学性质，综合评估钙钛矿材料的激发波长、量子产率、量子寿命及电流密度等信息。

基于实验室Keithley 2400数字源表、太阳光模拟器、样品台、伏安特性测试分析软件，测量钙钛矿太阳能电池的I-V特性曲线，可以直接得到器件的主要物理性能，包括电流密度（J_SC）、开路电压（V_OC）光电转换效率（PCE）、和填充因子（FF）等，并通过公式计算出器件光电转换效率。

自组装单分子层是一种由具有活性基团的分子在固体表面自发地组装形成的有序单分子层，具有自组装、分子级厚度以及化学性质高度可控等特点，非常适合电池中的界面改性^{[1, 2]}。2019年，Steve Albrecht等人^[3]研发了一种包含膦酸和咔唑基团的SAM，将其作为p型功能层应用于倒置钙钛矿太阳能电池中，能够替代常规的聚(三芳基胺)（PTAA）和NiO_x，并使倒置钙钛矿太阳能电池性能达到质的飞跃。SAM分子构型如图1所示，其中头部基团由具有强配位能力的供电子部分组成，例如磷酸基团。短链碳作为间隔连接基团，而共轭环基团如咔唑、吖啶等，形成π-离域系统。这类结构特征使其具有良好的载流子传输能力，SAM的典型代表是(2-(9H-咔唑-9-基)乙基)膦酸（2PACz）。

然而，自组装传输材料的应用仍处于快速发展和优化阶段，面临着界面缺陷与均匀性、电化学稳定性、服役过程中的结构维护等关键问题。国内外的研究团队正积极探索新的自组装策略，以进一步优化光伏材料的性能。You等人^[4]将[4-(3,6-二甲基-9H-咔唑-9-基)丁基]膦酸（Me-4PACz）SAM用于钙钛矿器件中，创造了当时小面积器件的记录效率（25.2%）。然而，由于Me-4PACz的疏水性，极容易形成不均匀的钙钛矿层。Kashimul Hossain等人^[5]通过将共轭的聚(9，9-双(3′-(N, N二甲基)-N-乙基铵-丙基-2, 7-芴)-alt-2,7-(9，9-二辛基芴))二溴化物(PFN-Br)以特定的比例添加到Me-4PACz中来解决这一问题。PFN-Br与Me-4PACz的混合促进了钙钛矿层在疏水Me-4PACz HTL顶部的均匀沉积，使器件可重复性大幅提升。Deng等人^[6]也表明，共组装单层（SAM和含烷基铵的SAM的混合物）能够同时抑制非辐射复合和表面功能化，有助于提升器件的效率与稳定性。

1. 新型空穴传输层材料探索：本项目创新性地引入了Me-4PACz等物质作为钙钛矿太阳能电池的空穴传输层，旨在提高电池的整体性能。这一材料的选择本身就是一个创新点，因为它可能具有不同于传统空穴传输层的独特性能。

2. 润湿性问题解决：针对Me-4PACz空穴传输层润湿性不佳的问题，本项目提出通过混合MeO-2PACz或2PACz等物质来改善润湿性，这一策略在提高电池性能的同时，也为解决材料润湿性问题提供了新的思路。

3. 复合传输层设计：本项目创新性地提出使用两种或多种传输层材料混合使用，这种复合结构设计可能带来材料性能的互补，从而提升电池的光电转换效率。

4. 性能提升潜力：通过实验测量光电转换效率，本项目旨在验证混合传输层对电池性能的提升效果，这一研究有望为钙钛矿太阳能电池的性能优化提供新的技术路径。

5. 实验方法创新：本项目采用先进的仪器测量技术来评估电池性能，通过对比不同传输层材料对电池性能的影响，为后续研究提供了可靠的实验方法。

6. 可持续性考虑：通过优化空穴传输层材料，本项目旨在提高钙钛矿太阳能电池的稳定性和长期性能，这对于推动太阳能电池的产业化应用具有重要意义。

针对高质量自组装结构在提升光伏器件性能中的应用，研究的技术路线、拟解决的问题及预期成果如下：

技术路线：

1. 材料设计与制备：选取适合光伏应用的材料，如钙钛矿、量子点、有机/无机杂化材料等，设计具有特定功能的自组装结构。通过分子自组装、模板辅助组装、溶液法、层层自组装等技术手段，制备具有高光吸收性和电子传输性能的纳米级结构。


2. 结构表征与优化：利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）等表征手段，分析自组装结构的形貌和成分。结合计算模拟优化设计参数，调控材料的自组装过程以提高光吸收和载流子传输效率。


3. 光伏器件制备与测试：基于自组装结构的优化结果，将其集成到光伏器件中，进一步研究其对器件光电性能的影响。通过器件性能测试（如光电转换效率、填充因子、开路电压和短路电流等）评估自组装结构的实际效果。


4. 稳定性和耐久性测试：评估自组装结构在光伏器件中的稳定性和耐用性，通过加速老化测试、温湿度循环测试等手段，研究其在长期运行中的性能变化情况，改进材料的结构和工艺以提升器件的耐久性。



拟解决的问题：

1. 现有自组装结构在光伏应用中的光吸收能力和载流子传输效率不足，导致光伏器件的转换效率难以提升。


2. 钙钛矿和量子点等材料在实际应用中往往稳定性不足，容易受到湿度、温度等环境因素的影响，导致器件寿命缩短。


3. 自组装结构的可控性、均匀性仍需优化，以确保大面积制备的光伏器件具有一致性和高性能。


预期成果：

1. 设计并制备出具有高光吸收能力、优异电子传输性能和稳定性的自组装结构材料，为高效光伏器件提供材料基础。


2. 提高光伏器件的光电转换效率，目标达到或超越现有水平，并解决界面缺陷、结构稳定性等制约器件性能的关键问题。


3. 发展出一套适合规模化生产的自组装结构制备工艺，实现高质量光伏材料和器件的低成本制备。


4. 提供新的设计思路和工艺方法，推动自组装结构在光伏领域中的进一步应用和商业化，为新能源发展提供技术支撑。

一. 项目前期工作（2024年12月—2025年3月）

1. 查找国内外相关资料，学习讨论，建立理论基础

2. 初步确定研究内容与实验方案

3. 了解钙钛矿太阳能电池器件的制备

4. 优化传输层的润湿性与器件性能

二. 实验进行阶段（2025年4月—2025年12月）

1. 混合MeO-2PACz或2PACz，改善Me-4PACz空穴传输层的润湿性，优化钙钛矿太阳能电池的制备过程

2. 使用两种或多种传输层材料混合使用制备新型空穴传输层

3. 进行钙钛矿材料的性能测试与相关表征

三. 汇总报告（2026年1月—2026年6月）

1. 数据总结处理与论文撰写

2. 结题答辩