中国科学院长春应用化学研究所在钙钛矿光伏领域取得重要突破。研究团队成功开发出具有双自由基特性的有机自组装空穴传输分子，使钙钛矿光伏器件的效率、稳定性及大面积加工性实现突破。相关研究成果以“稳定、均匀的自组装有机双自由基分子用于钙钛矿光伏（Stable and uniform self-assembled organic diradical molecules for perovskite photovoltaics）”为题，于2025年7月11日在《科学》（Science）杂志上正式发表。
《Science》杂志副主编Phil Szuromi评述道：“强给体-受体相互作用、共平面共轭和空间位阻的结合创造出双自由基自组装单层分子，作为钙钛矿太阳能电池的强大而高效的空穴传输材料。使用扫描电化学液池显微镜－薄层循环伏安法揭示了双自由基分子薄膜的空穴传输性能、稳定性和均匀性的提升。基于这些分子的微模组效率达到了23.6%，晶硅-钙钛矿串联电池达到了34.2%的认证效率。”
钙钛矿太阳能电池因其高效率、低成本、可溶液加工、轻质可柔性、弱光响应强等优势，已成为清洁能源技术的重要研究方向之一。目前实验室小面积器件的效率已经与晶硅电池相当，但其产业化仍面临严峻挑战：传统空穴传输层依赖昂贵材料与复杂工艺，且存在热稳定性和界面稳定性不足的问题；虽然近年来引入的有机自组装空穴传输分子简化了器件结构并降低了成本，但现有分子普遍存在空穴传输能力较弱、组装均匀性差及工况稳定性不足等问题，导致器件效率衰减迅速，并缺乏适用于大面积组件的均匀成膜材料与技术，成为制约性能提升的关键瓶颈。
针对上述问题，长春应化所秦川江、王利祥研究团队提出了一种创新性的双自由基自组装分子设计策略。首先，通过共平面给体－受体共轭结构设计，在自组装小分子中首次实现了强自由基特性，显著提升了分子的导电性能。相较于传统自组装空穴传输分子，其空穴传输速率提高至两倍以上。此外，电子在共轭结构上的有效离域也显著降低了分子的化学反应活性。同时，研究团队在分子结构中引入空间位阻基团并进行合理调控，不仅进一步增强了自由基的稳定性，还大幅提升了分子的二聚能，从而有效抑制了分子堆叠现象的发生，使自组装过程更易于实现大面积均匀成膜。因此，该双自由基自组装分子在载流子传导性、化学稳定性和溶液加工性方面实现了协同优化。
图. 新型双自由基自组装空穴传输分子设计
为了验证该类分子的性能优势，研究团队采用先进的原位电化学表征手段揭示了钙钛矿太阳能电池中有机界面传输材料的失效机制。传统电化学方法仅能评估溶液状态下分子的性能，难以反映真实器件中自组装层的动态行为。为此，周敏研究员团队创新性采用超分辨电化学显微镜系统，通过扫描电化学液池显微镜－薄层伏安技术，精准测定了自组装分子的载流子传输速率、组装密度及其分布均匀性，全面揭示了双自由基分子在界面电荷传输特性、化学稳定性及大面积加工均匀性方面的显著优势。研究表明，传统分子在工作过程中易受到钙钛矿中卤素离子的亲核攻击而降解，而新材料凭借电子离域效应与空间位阻的双重保护，显著提升了材料的运行稳定性。此外，通过电化学成像技术的可视化分析发现，新型分子可通过共价锚定形成致密单分子层，而传统分子因无序堆叠产生大量结构缺陷，这正是导致大面积组件性能下降的根本原因。
图.原位电化学表征技术实现自组装分子的稳定性、载流子传输速率、组装密度和均匀性表征
基于所开发的新型空穴传输材料，长春应化所与隆基绿能中央研究院进一步开展器件的合作研究，实现了钙钛矿光伏器件性能的大幅提升。实验室小面积微型电池的光电转换效率达到26.3%，放大后的模组器件效率突破23.6%。相比之下，基于传统自组装分子制备的器件与模组的效率分别为23.5%和18.6%，表明新材料显著提高了器件效率并有效降低了面积扩大带来的性能损失。将新材料及钙钛矿器件与晶硅电池相结合，构建的钙钛矿-晶硅叠层电池效率高达34.2%，达到世界顶尖水平，并获得美国国家可再生能源实验室的认证。同时，器件的运行稳定性大幅提升，连续运行两千小时可保持初始效率97%以上，并通过了85℃全光谱光照下的严苛稳定性测试，为新材料和新技术的产业化应用奠定了坚实基础。
图. 基于新型自组装空穴传输材料的钙钛矿光伏器件性能
本项研究成果不仅为解决钙钛矿太阳能电池在核心传输材料导电性、寿命以及大面积制造等方面的关键瓶颈提供了全新思路，其首创的自组装分子原位表征技术也为材料性能评估建立了新标准。这一系列工作为提升钙钛矿太阳能电池的性能提供了新材料与新技术，为实现高效、稳定且低成本的钙钛矿太阳能电池的大规模应用注入了强劲的核心驱动力，未来将在清洁能源领域发挥重要作用。
论文链接：https://doi.org/10.1126/science.adv4551
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