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广泛应用于钙钛矿太阳能电池（PSC）的有机自组装分子（SAM）表现出增强的性能，以支持钙钛矿光伏的持续发展。

2025年6月26日，中国科学院长春应化所秦川江、王利祥、周敏、张德重、隆基绿能He Bo、李振国共同通讯在Science在线发表题为“Stable and uniform self-assembled organic diradical molecules for perovskite photovoltaics”的研究论文，该研究设计了一种用于钙钛矿太阳能电池的有机自组装分子，进一步提升钙钛矿光伏器件的性能。

钙钛矿太阳能电池(PSCs)的功率转换效率(PCEs)已超过26.5%，接近最先进的晶体硅太阳能电池。有机空穴选择性自组装分子(SAMs)有助于显著提高倒置PSC的性能。钙钛矿光伏的进一步发展要求SAMs表现出增强的空穴传输性能、稳定性和大面积溶液加工性。然而，设计SAMs来满足所有这些需求是非常具有挑战性的。目前，SAMs的主流设计方法，包括π膨胀、共轭接头连接和稠环形成，用于增强共轭和电子离域，从而提高导电性和稳定性。然而，增加共轭经常导致分子堆积，这限制了大面积溶液加工中SAM层的均匀性。尽管可以通过共组装或溶剂工程来提高均匀性，但是这些方法将增加SAM层制造的复杂性。

引入稳定的开壳双自由基已成为一种有前途的替代策略。双自由基引入了额外的不成对电子，增加了电荷载流子的数量，还在分子内提供了更有利的能级轨道，并且可以有效地解决电导率不足的问题。此外，稳定自由基的大空间位阻基团确保了优异的分子稳定性和优异的溶液加工性。最近，自由基掺杂已被证明能有效提高传统小分子或聚合物空穴传输层的导电性。然而，迄今为止，显示双自由基特征的自组装膜很少被报道。在确保大面积均匀SAM层形成的同时，能够在PSC中有效和稳定操作的双自由基SAM的设计和开发仍然具有挑战性。此外，在能够精确评估自组装膜的真实稳定性和分子密度的表征方法中仍然存在显著的缺陷。

双自由基自组装膜的设计（图源自Science）

研究人员通过“共面共轭的给体-受体”策略，开发出具有双自由基结构的自组装分子，以促进载流子在SAMs中的高效空穴传输。这类双自由基SAMs不仅展现出优异的光热稳定性和电化学稳定性，还因分子结构中的空间位阻设计，显著提升了膜层的组装均匀性和大面积溶液加工性能。研究人员利用先进的扫描电化学单元显微镜-薄层循环伏安技术，精准测定了SAMs的载流子传输速率、稳定性和组装特性。最终，基于该技术的PSCs器件效率突破了26.3%，小型组件（10.05 cm²）效率达到23.6%，钙钛矿-硅叠层电池（1 cm²）效率超过34.2%。同时，PSCs在45°C跟踪测试下稳定运行2000小时，效率保持在97%以上。

参考信息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv4551#tab-contributors