使用偶极分子是钙钛矿界面修饰的有效手段。然而，它们的偶极矩及其排列取向对钙钛矿薄膜和器件性能的影响仍有待探索。在这项工作中，天津大学张飞团队设计了四种分子，它们具有不同的供电子/吸电子基团，从而导致不同的偶极矩和排列取向，并探究了其作为界面修饰材料时对器件性能的影响。具有最大偶极矩和有序平行取向的[PMA-CF₃]I修饰的钙钛矿与C₆₀的能级最为匹配，有利于电子传输，器件性能最佳，光电转换效率达到26.04%（最大功率点跟踪350秒的稳态认证效率为25.62%），并且具有出色的存储和光照稳定性。2025年6月30日，相关成果“Tunable molecular dipole moments and orientations for efficient and stable perovskite solar cells”发表在Joule期刊上。论文通讯作者是张飞教授，第一作者是史娅婷硕士。

尽管目前反式钙钛矿太阳能电池的光电转化效率已经得到显著提高，但是仍低于理论极限，这主要是由于钙钛矿和电子传输层之间的能级排列不理想导致了严重的非辐射复合损失。分子的偶极矩及其排列取向都会影响到钙钛矿的能级排列和器件性能。然而，关于这两个因素之间的关系及其对钙钛矿能级和器件性能的综合影响，还没有系统的研究报道。

在这项工作中，天津大学张飞团队设计并合成了四种具有不同偶极矩的分子，即分别通过-OH（供电子）、-F（吸电子）、-CF₃（吸电子）和-CN（吸电子）四种官能团对位取代苯甲铵氢碘酸盐分子钝化钙钛矿薄膜。当分子排列取向相同时，偶极矩对器件性能的影响更大；而当分子排列取向不同时，分子排列取向对器件性能的影响更大。使用偶极矩更大、排列取向更有序的PMA-CF₃修饰的器件效率达到26.04%（稳态认证效率为25.62%），而且稳定性优异。这项研究深入探讨了在界面上使用偶极子分子时的设计原理及其对器件性能和稳定性的影响机制。

图1：界面分子作用机理的研究。

图2：钙钛矿薄膜形貌的研究。

图3：相应的钙钛矿薄膜及其界面的表征。

图4：器件的性能。

该工作揭示了偶极矩和分子取向对钙钛矿能级和器件性能的影响。选择具有适当偶极矩大小的分子，并优化其设计以实现所需的有序分子取向，实现更匹配的能级。综合作用下，PMA-CF₃修饰的器件的光电转化效率为26.04%（最大功率点跟踪350秒的稳态认证效率为25.62%），并表现出优异的存储和照明稳定性。此工作为认识器件性能的影响机制提供了宝贵的见解，并从调控界面修饰分子的偶极矩和排列取向方面为优化器件性能提供了新的设计原则。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.102009