传统咔唑类自组装单分子层（SAM）因其平面共轭结构易发生分子聚集，导致在衬底上分布不均、产生针孔缺陷，严重制约了钙钛矿/硅叠层太阳能电池向大面积、高效率方向的规模化发展。美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用AAA级LED太阳光模拟器作为老化光源，可通过多种方式对电池进行控温并控制电池所处的环境氛围，进行长期的稳定性能测试。

本研究设计了一种具有部分扭曲骨架的SAM分子：PhDMAcPA，通过引入二甲基和苯基取代基破坏分子的平面性，有效抑制了ππ堆积和过度自聚集。该分子不仅大幅提升了在溶液和衬底上的均匀分散性，还通过扩展共轭结构优化了能级对齐和电荷传输。基于该策略，1.163 cm²叠层电池实现了32.6%（认证32.4%）的光电转换效率，16 cm²器件达29.4%（认证28.12%），并在1100小时最大功率点追踪后仍保持96.2%的初始效率，为高效、稳定、可扩展的钙钛矿/硅叠层光伏技术提供了可行的分子设计路径。

分子设计思路

ITO上的分子结构与形貌设计

本文设计了一种新型SAM分子：PhDMAcPA（4(2,7二苯基9,9二甲基咔唑10(9H)基)丁基膦酸）。该分子在咔唑核心上引入两个甲基和两个苯基取代基，形成部分扭曲的分子骨架。密度泛函理论模拟显示，其二面角达到108.2°，苯基与核心之间也存在10.1°的扭转。这种非平面构象有效破坏了长程π轨道对齐，从而抑制了分子聚集。动态光散射实验证实，PhDMAcPA在溶液中的平均粒径仅约91.3 nm，远小于Me4PACz的459 nm。

均匀性与界面特性

硫胺素（SAM）在氧化铟锡（ITO）表面的锚定稳定性

在ITO衬底上，PhDMAcPA表现出各向同性、无团簇的均匀分布。X射线衍射和偏振拉曼光谱显示，Me4PACz存在明显的分子团簇和结构各向异性，而PhDMAcPA无团簇峰，且拉曼信号角度依赖性极弱。分子动力学模拟进一步表明，在ITO表面，Me4PACz分子易形成多个团簇，而PhDMAcPA分布均匀，仅少量分子参与聚集。循环伏安法测得PhDMAcPA的面密度更高（5.56×10¹³ cm⁻²），导电原子力显微镜显示其电流分布更加均匀且导电性更强。

此外，PhDMAcPA的膦酸锚定基团与ITO结合更稳定。经钙钛矿前驱体溶剂（DMF/DMSO）冲洗后，开尔文探针力显微镜和X射线光电子能谱均表明，PhDMAcPA的表面电位和P 2p信号保持更均匀，而Me4PACz则出现明显脱落和电位下降。同时，PhDMAcPA的静电表面势计算显示其偶极矩更高（1.98 D vs. 1.72 D），能级与钙钛矿更匹配，有利于空穴提取和电荷传输。

单结钙钛矿电池性能

单结钙钛矿太阳能电池（PSC）性能

在1.68 eV宽带隙钙钛矿单结电池中，基于PhDMAcPA的器件埋底界面更致密、针孔更少，钙钛矿晶粒更大且呈垂直生长。稳态光致发光强度显著增强，时间分辨光致发光显示载流子寿命延长至415.1 ns（对照组为370.8 ns），且电荷提取速度更快（τ₁=66.8 ns vs. 80.3 ns）。电化学阻抗谱表明，PhDMAcPA器件的复合电阻更高（约672.9 kΩ），界面复合被有效抑制。

在小面积（0.049 cm²）器件中，PhDMAcPA实现了22.82%的冠军效率（VOC=1.284 V，FF=84.2%，JSC=21.1 mA/cm²），明显优于Me4PACz的20.64%。大面积组件（孔径面积783.7 cm²）采用狭缝涂布法制备，PhDMAcPA基组件获得19.1%的冠军效率（VOC=51.0 V，FF=77.3%），而对照组仅17.0%，且滞后现象严重。该19.1%是迄今为止1.68 eV单结钙钛矿组件中报道的最高值。

钙钛矿/硅叠层电池性能

刮涂法制备的钙钛矿/硅叠层电池性能

将PhDMAcPA应用于单片式叠层器件，底电池为双面随机金字塔织构的硅异质结电池。小面积（1.163 cm²）叠层器件获得32.6%的冠军效率（正向扫描），认证效率为32.4%，VOC高达2.02 V，FF为80.9%。EQE积分得到的顶电池和底电池JSC分别为20.24和20.50 mA/cm²，与JV测试一致。在16 cm²的大面积叠层器件中，冠军效率达29.4%（反向扫描），认证效率为28.12%。

稳定性

封装后的叠层器件在多项严格测试中表现出优异的稳定性：

热循环测试（ISOST3，40°C ↔ 85°C）：250次循环后，PhDMAcPA器件保持92.2%初始效率；对照组仅130次循环后即降至64.0%。

最大功率点追踪（ISOSL1，25°C，1倍太阳）：PhDMAcPA器件在1100小时后保持96.2%初始效率；对照组248小时后仅剩83.1%。

高温MPPT（65°C）：800小时后PhDMAcPA器件保持97.6%效率，对照组330小时后降至87.2%。

湿热测试（85°C/85% RH）：400小时后PhDMAcPA器件保持96.0%效率，对照组仅81.3%。

单独对SAM层热预处理（100°C，500小时）：基于预退火PhDMAcPA衬底的器件仍保持94.2%初始效率，而对照组降至81.3%，证明PhDMAcPA本身具有更优异的热稳定性和锚定稳定性。

大面积模块（384 cm²）MPPT：500小时后效率无衰减，保持100%。

本文通过分子骨架扭曲设计，成功开发了PhDMAcPA自组装分子。该分子有效抑制了传统咔唑类SAM的聚集行为，实现了大面积均匀、无针孔的单分子层覆盖，同时优化了能级对齐和电荷提取。基于该策略，小面积叠层电池获得认证32.4%效率，16 cm²叠层电池获得28.12%认证效率，单结大面积组件创下19.1%的纪录。此外，器件在热循环、湿热、光热老化等多方面均展现出优异的长期稳定性。该工作为自组装分子在钙钛矿/硅叠层光伏产业化的可扩展应用中提供了切实可行的设计原则。

钙钛矿复合式MPPT测试仪

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原文参考：Homogeneously distributed self-assembled molecules for efficient and scalable perovskite/silicon tandem solar cells