浙江大學薛晶晶研究員、楊德仁院士、鄧天琪研究員和西湖大學王睿研究員等在《自然·化學》發表突破性研究，成功設計出一種具有正交π骨架的分子接觸層（SAX），顯著提升鈣鈦礦太陽能電池的長期穩定性與效率。實驗表明，基於SAX的電池效率達25.1%，並在高溫、光照和機械應力下保持超90%的初始效能超過2500小時。這一成果為有機電子器件設計提供了全新方向。
科學原理：正交π骨架打破有序堆積限制
傳統鈣鈦礦太陽能電池依賴具有共軛核心的分子接觸層（如4PACz），其分子有序堆積雖利於電荷傳輸，但在熱、光或機械應力下易發生相變或結構坍塌，導致效能衰退。研究團隊創新性地設計了一種正交π骨架分子SAX，其分子兩部分呈近乎垂直排列（圖1a-b），破壞了平面性，形成高度無序的非晶態結構。透過X射線衍射（XRD）和拉曼光譜分析，SAX薄膜無長程有序特徵，展現各向同性（圖1c-f）。分子動力學模擬顯示，SAX在外部應力下仍保持結構均一性（圖2c-d）。
圖 1.分子設計和堆疊行為。
圖 2.非晶化誘導的結構穩定性。
實驗結果：效率與穩定性雙突破
1.電子效能最佳化
· 導電性：導電原子力顯微鏡（c-AFM）顯示，SAX薄膜初始電流密度達3.8 nA，是傳統4PACz（0.7 nA）的5倍以上。經歷400小時65°C加熱或50次機械拉伸後，SAX電流保持穩定，而4PACz下降超90%（圖3）。
·能級匹配：紫外光電子能譜（UPS）表明，SAX的價帶最大值更低（0.47 eV），增強空穴選擇性與傳輸效率（圖3h）。
圖3.分子膜的電子特性。
2.光伏效能提升
·窄帶隙電池：SAX器件最高效率達25.1%（穩定效率24.8%），較4PACz器件（22.4%）提升12%，填充因子（FF）從78.1%增至83.4%（圖4a）。
·寬頻隙電池：SAX器件效率達23.0%，為同類電池最高值之一（圖4d）。
·柔性器件：SAX柔性電池效率23.4%，拉伸後效能無衰減，而4PACz器件效率從21.0%降至15.9%（圖4e）。
圖4.光伏效能
3.長期穩定性驗證
·高溫測試：在85°C黑暗環境中，SAX器件1000小時後保持95%初始效率，而4PACz器件降至50%（補充圖17）。
·光照老化：65°C連續光照下，SAX器件2000小時後效率損失僅3%（圖4e）。
·最大功率追蹤：50°C下執行2500小時，SAX器件效率保持91.5%（圖4f）。
應用前景：從剛性到柔性，拓寬器件設計邊界
SAX的非晶特性使其在柔性電子領域展現獨特優勢。實驗證明，基於SAX的柔性電池在機械拉伸後效能無損，為可穿戴裝置、摺疊屏等應用奠定基礎。此外，該分子設計策略可擴充套件至其他有機電子器件，如OLED和感測器。
來源：高分子科學前沿
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