综述：基于自组装单层的电子传输层在钙钛矿太阳能电池中的应用：综述

SAMs通过可调能量级、钝化界面和高效电荷传输提升钙钛矿太阳能电池性能，作为电子传输层具有低成本、易加工优势，但存在长期稳定性与表征困难等问题。

Othmane El Baz | Mohamed Ilsouk | Sarah Derbali

应用化学与工程卓越研究中心（ACER CoE），穆罕默德六世理工学院（UM6P），Lot 660 – Hay Moulay Rachid，43150 Benguerir，摩洛哥

摘要

钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其卓越的功率转换效率（PCE）、成本效益高的制造工艺和可扩展的生产流程而受到广泛关注。与此同时，自组装单层（SAMs）作为有用的界面材料以及在PSCs中有效的空穴传输层（HTLs）崭露头角，它们具有可调的能级对齐性、钝化性能和改善的电荷传输特性。最近，SAMs作为电子传输层（ETLs）的应用受到了更多关注，与传统的无机ETLs相比，它在经济上更具可行性且可扩展性更强，同时还能提升器件性能。本文综述了SAMs的优势及其在调节HTL与钙钛矿之间、以及ETL与钙钛矿之间界面中的作用。此外，本文还重点介绍了基于SAMs的ETLs的最新进展，展示了它们替代传统ETLs的潜力。同时，也讨论了在PSCs中应用SAMs所面临的挑战，包括稳定性问题和表征技术相关的问题。

引言

钙钛矿太阳能电池（PSCs）和叠层太阳能电池是推动光伏领域（PV）取得显著进展的突破性技术之一[1]。PSCs的功率转换效率（PCE）从2009年的3.8%大幅提升至2025年的27.3%（单结PSC），以及34.9%（硅基钙钛矿叠层PSC）[2]。这些PCE数据使PSCs与其他成熟的太阳能电池类型（如多晶硅（Si）、铜铟镓硒（CIGS）和碲化镉（CdTe）太阳能电池）处于同等水平。

钙钛矿材料在光伏领域的成功依赖于其多种化学和物理特性，包括高吸收系数、可调且窄的带隙（1.5 eV）、小的激子结合能（50 meV）、较大的空穴（12.5–66 cm²/V s）和电子（7.5 cm²/V s）载流子迁移率，以及较长的载流子扩散长度（100–1000 nm）[3]。

尽管基于这些材料的太阳能器件性能优异，但它们仍存在一些缺点，例如在热、光、氧气和湿气环境下的稳定性问题，以及分子解离和离子迁移等内在稳定性问题。

最近，多个研究小组提出使用化学锚定在透明导电氧化物电极（TCOs）（如掺锡氧化铟（ITO）和掺氟氧化锡（FTO）上的自组装单层（SAMs）来创建超薄的选择性电荷传输层，以替代PSCs中的传统薄膜传输层（CTLs）。由于有机空穴传输单元比电子传输单元更容易获得，因此基于SAMs的空穴选择性传输层的发展尤为成功。

空穴和电子传输层选择性SAMs的分子结构通常包含一个电荷传输头部、一个用于在TCO表面进行化学吸附的锚定基团（如羧酸（-COOH）或磷酸（-PO(OH)₂）以及一个促进自组装的连接剂[[4], [5], [6]]。这些选择性电荷传输层特别适用于倒置结构和标准结构的PSCs。基于SAMs的CTLs的应用具有独特优势，包括极低的寄生吸收[7]、低材料消耗[8]以及简化的大面积PSCs制造工艺。此外，它们的共形涂层特性使其在基于钙钛矿的叠层太阳能电池中具有高度灵活性。

在倒置PSCs中，使用超薄SAMs作为选择性空穴层（HSL）以高效从钙钛矿中提取空穴的做法越来越受欢迎[9]。另一方面，由于其出色的分子可调性和定制的化学结构，SAMs在n-i-p型PSC架构中作为ETLs也显示出巨大潜力。通过结合富含电子的共轭骨架和磷酸锚定基团，基于SAMs的ETLs能够实现高效的电子提取并提升器件性能，成为高性能PSCs中传统ETLs的有力替代品[10]。

本文重点综述了SAMs作为PSCs中ETLs的应用进展。虽然之前的综述已经深入讨论了SAMs在HTLs中的应用，但我们的工作是首次专门收集关于PSCs应用中基于SAMs的ETLs的研究。本文突出了它们作为ETLs的特定应用，全面概述了从分子工程到器件性能的最新发展，并解决了包括表征方法和稳定性问题在内的关键挑战。

章节摘录

SAMs的特点

选择合适的电荷传输材料对于设计钙钛矿吸收材料和相应的太阳能器件至关重要，因为这会影响它们的光电转换效率和寿命。近年来，许多论文将SAMs引入作为具有独特性能的新材料，使其成为提高PSCs稳定性和效率的有希望的候选者。SAMs主要以其作为空穴传输材料的角色而闻名[7,11]

SAMs分子结构设计的指导原则

目前PSCs领域的研究重点已从使用市售分子转向针对性合成新型SAMs，从而能够精确调节光电性能和界面兼容性[28]。这些定制材料的设计通常采用模块化合成方法，将功能核心与特定的间隔剂和锚定基团结合，以优化能级对齐和缺陷钝化[16]

成本优势

PSCs相对于传统光伏技术的一个关键优势是其成本效益。为了保持竞争力，需要尽量降低材料和制造成本。虽然钙钛矿层本身相对便宜，但由于合成路线复杂[49]以及纯化过程[50], [51], [52]，某些电荷传输层（CTLs）的成本仍然较高。

例如，基于聚合物的HTLs（如PTAA、PEDOT:PSS、P3HT和PDCBT）需要昂贵的催化剂

基于SAMs的PSCs ETLs的最新进展

SAM分子不仅作为PSCs中的HTLs表现出色，还因其可调的界面特性、易于加工和减少复合损失的能力而具有作为ETLs的潜力。n型SAMs（ETL SAMs）与p型SAMs具有相似的化学结构，但两者之间的物理差异主要体现在载流子方向（即分子头部基团和能级设计上）

SAMs面临的挑战

尽管SAMs在提升钙钛矿太阳能电池性能和稳定性方面具有潜力，但它们仍面临若干关键挑战。这些挑战包括在运行条件下的长期稳定性问题以及由于其超薄结构导致的表征难度。这些关键问题将在本节中详细讨论。

结论

自组装单层通过提供高效且低成本的策略显著推动了PSCs的发展，增强了器件性能。作为高效的电荷传输层和界面调节剂，SAMs改善了能级对齐并抑制了与缺陷相关的复合现象，从而提高了器件的稳定性和效率。它们与多种器件架构（包括n–i–p和p–i–n配置）的兼容性凸显了其优势

CRediT作者贡献声明

Othmane El Baz：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、数据整理、概念构思。Mohamed Ilsouk：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督。Sarah Derbali：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

穆罕默德六世理工学院（UM6P）和OCP通过OCP废物转化与能效（WTPE）主席职位合作，共同推进研究和创新。这一合作得到了OCP制造部门的支持，体现了双方对实现WTPE及相关项目的共同承诺。