韩国材料科学研究院：渔网仿生界面实现耐水高效率钙钛矿太阳能电池

Air-Processed and Water-Stable Perovskite Solar Cells Enabled by a Fishing-Net-Inspired Interfacial NetworkMuh Fadhil Albab, Muhammad Jahandar, Ah Ra Kim, Jinhee Heo, Yong Hyun Kim, Youngkyoo Kim, Gi-Hwan Kim, Ji-Youn Seo, Shinuk Cho, Soyeon Kim*, Dong Chan Lim*

Nano-Micro Letters (2026)18: 440

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02295-5

本文亮点

1. 金属锚定分子网络阴极界面层策略通过优化界面能级与电荷传输，实现了高效率倒置钙钛矿太阳能电池。

2. 金属-胺配位网络提供了一种不受带隙或基底限制的通用界面平台，可抑制离子迁移并防止水分诱导的降解。

3. 优化器件兼具高效率与优异耐久性：储存2000 h后保持超过95%的初始性能，弯折10000次后仍保持超过95%的性能，并在水暴露后表现出缓慢降解。

研究背景

卤化物钙钛矿太阳能电池(PSCs)推动了光伏技术变革，其光电转换效率(PCE)已超过26%，可与晶体硅媲美。然而，较差的稳定性仍限制其商业化，尤其是湿度诱导的界面降解；这是实际应用中最具限制性却尚未得到充分解决的失效机制之一，在规模化制造所必需的环境空气条件下尤为突出。电子传输层(ETL)/阴极界面尤其关键，它决定电荷提取、复合损失和长期接触稳定性。有效的界面层必须同时实现高效电子传输、抑制非辐射复合，并具备抵抗水分和氧气侵入的本征能力，而这些要求仍难以在统一的材料设计中同步实现。

内容简介

韩国材料科学研究院能源与环境材料研究本部Soyeon Kim责任研究员和Dong Chan Lim责任研究员团队提出了一种受渔网启发的界面分子网络。钙钛矿太阳能电池的实际部署受到脆弱界面的阻碍；尤其在环境空气加工过程中，这些界面会在水分、热、离子迁移和机械应力作用下加速降解。该界面分子网络通过配位化学和界面偶极工程赋予器件本征耐久性。金属锚定分级网络将过渡金属节点、刚性小分子骨架和致密的胺官能化聚合物子网络整合为网状结构，在增强电荷提取的同时抑制双向离子迁移。

采用该界面层的器件在1.53、1.61和1.77 eV带隙下分别实现26.19%、24.11%和20.00%的光电转换效率，开路电压和填充因子均超过Shockley-Queisser辐射极限的90%。值得注意的是，这一性能在宽带隙柔性器件中仍可保持。完全在环境空气中制备的柔性钙钛矿太阳能电池效率达到23.03%，并在10000次弯折后保持95%的初始性能。此外，器件在直接浸水过程中降解受到抑制，且未封装器件在环境条件下的T₉₅超过2000 h，从而建立了一种可广泛适用于耐久光电子器件的界面设计策略。

图文导读

I 金属锚定分子网络的构筑与配位证据

研究首先回答了分子网络如何“织”成。BCP先与CuCl₂配位形成Cu(BCP)，随后PEIE链段中的胺基继续锚定Cu中心，由此将小分子配体与聚合物子网络连接为分级结构(图1a)。这一反应过程并非停留在结构设想上：随着BCP、CuCl₂、Cu(BCP)²⁺到Cu(BCP)(PEIE)²⁺逐步形成，前驱液颜色发生连续变化(图1b)，相应的吸收光谱也在可见光区出现明显响应(图1c)，共同说明混合配体配合物已成功构筑。更直接的化学证据来自XPS表征。与BCP相比，Cu(BCP)(PEIE)的N 1s谱中出现了归属于R-NH₂/Cu-N和质子化胺的组分，表明PEIE胺基确实参与配位，其局部化学环境也随之重排(图1d)；与此同时，约930 eV处清晰可辨的Cu 2p₃/₂信号进一步确认Cu元素被引入界面材料(图1e)。至此，“金属节点—刚性配体—胺基聚合物”的网络构筑获得了光谱和化学态的双重验证。

图1. 分子网络的构筑与配位证据。a 合成路径；b 前驱液照片；c 吸收光谱；d N 1s XPS谱；e Cu 2p XPS谱。

II 界面耐热、耐湿与离子迁移抑制机制

网络形成之后，作者进一步考察它能否真正守住脆弱界面。器件在环境空气中经100 ℃热老化48 h后，无缓冲层和BCP器件均出现明显分流通道，而Cu(BCP)(PEIE)器件仍保持连续、无分流的界面(图2a)。这种结构完整性与离子迁移受到抑制密切相关：Ag元素分布显示，改性界面显著限制了银电极向下扩散(图2b)；Pb 4f XPS谱则表明，其同时减弱了热处理过程中金属电极与钙钛矿之间的界面反应(图2c)。三组证据由形貌、元素分布到化学态逐层印证了网络的热稳定作用。面对更直接的水分冲击，这一保护作用仍然存在。去除顶部Ag电极并浸入水中约5 min后，BCP器件已迅速变黄，而Cu(BCP)(PEIE)器件仍保持较深颜色，说明水致相分解被明显延缓(图2d)。其原因之一是改性界面的静态水接触角提高至约89.1°，高于PCBM和BCP表面的78.4°与81.1°，体现出更强的疏水性(图2e)。

这种界面稳定性并不局限于单一环境。无论从真空切换到环境空气及85%相对湿度(图2f)，还是经历−30～70 ℃的温度变化(图2g)，Cu(BCP)(PEIE)的表面电势波动均小于对照，说明其对湿度和热扰动具有更强适应性。作者由此用“渔网”概念串联起全部机制：Cu²⁺充当配重配体节点，刚性BCP构成网格，PEIE形成致密子网络，三者协同降低表面能、增强电导与分子刚性，并封堵水分、Ag和卤素离子的迁移路径(图2h)。

图2. 薄膜表面与界面表征。a 热老化后的器件截面HR-TEM图；b HAADF-STEM图及Ag元素EDX分布；c 热降解前后的Pb 4f XPS谱；d 去除顶部Ag电极后的浸水测试；e 静态水接触角；f 不同环境下的表面电势；g 不同温度热应力后的表面电势；h 渔网仿生分级分子网络及其抑制Ag扩散和卤素迁移的示意图。

III 器件效率、长期稳定性与策略通用性

更稳定的界面最终转化为器件性能的全面提升。对于1.61 eV带隙器件，Cu(BCP)(PEIE)使反向扫描PCE达到24.11%，明显优于BCP对照(图3a)；其开路电压(VOC)和填充因子(FF)均超过相应Shockley-Queisser辐射极限的90%，在已有报道中处于前列(图3b)。放到带隙大于1.6 eV的文献坐标中，本工作同样位于宽带隙钙钛矿太阳能电池的领先区间(图3c)。这一优势还可延伸至不同带隙：1.53和1.77 eV器件的PCE分别达到26.19%和20.00%，表明该界面策略并不依赖某一种特定吸收层(图3d)。相比峰值效率，长期耐久性更能体现分子网络的价值。按照ISOS-D-1条件储存时，未封装的Cu(BCP)(PEIE)器件在2000 h后仍保持超过95%的初始PCE，而BCP器件已出现明显衰减(图3e)；在ISOS-L-1连续1 sun照射下，三种带隙的目标器件运行500 h后也都比相应对照保持了更高性能(图3f)。当器件转向柔性形态，这一优势依旧延续：在5 mm弯曲半径下经历10000次弯折后，目标器件仍保留约95%的初始性能，而BCP对照仅剩约70%(图3g)。

值得注意的是，这套设计并非只能由Cu和PEIE实现。作者进一步替换金属锚点及胺官能化聚合物后发现，Cu、Pt、Ni等金属中心与PEIE、PDINN、多巴胺、PEI等组合均能改善柔性器件的PCE分布(图3h)。这说明分子网更像一个可模块化扩展的界面平台，而非针对单一材料体系的偶然优化。

图3. 金属锚定分子网策略的器件性能、稳定性与通用性。a–d 器件效率；e、f 储存与光照稳定性；g 弯折稳定性；h 金属锚点/聚合物组合的通用性。

IV 低照度能量采集与浸水传感演示

为了验证这一界面能否服务于真实使用场景，作者将器件置于2700 K暖白LED的200、500和1000 lx低照度环境中，先由光子通量和积分电流密度光谱界定室内光条件(图4a)，再比较器件输出。三种照度下，Cu(BCP)(PEIE)器件均表现出更高的电流和功率(图4b)。阻抗谱中更大的复合电阻说明界面复合受到抑制(图4c)；与此同时，VOC和短路电流密度(JSC)对光强的响应进一步表明，改性器件具有更弱的陷阱辅助复合和更充分的载流子收集(图4d)。光诱导电荷提取线性增压测试则从瞬态过程补充了这一判断：Cu(BCP)(PEIE)器件在不同光强下都呈现更强、更快的响应(图4e)。这种电荷动力学优势能够转化为持续输出：0.14 cm²器件在三种照度下均可稳定工作300 s，且改性器件的稳态功率始终更高(图4f)。在此基础上，研究人员将三个1 cm²钙钛矿太阳能电池串联，使各单元电压叠加，为低功耗传感设备提供足够的驱动电压(图4g)。

最终的演示将“低照度供能”和“耐水界面”结合起来。在约1000 lx室内光下，三个串联器件可输出约2.996 V(图4h)；即使未封装器件直接浸入去离子水中，系统仍能驱动总溶解固体(TDS)与温度传感器，获得约72 ppm和27.3 ℃的读数(图4i)。这说明器件具备在潮湿甚至短时浸水环境中供能的潜力。不过，论文仍检测到少量Pb泄漏，因此这里的“耐水”指器件降解得到延缓，并不等同于完全的环境安全。

图4. 低照度能量采集。a 光谱；b J-V曲线；c Nyquist图；d 光强依赖性；e photo-CELIV；f 稳态输出；g 串联电路；h 累积电压；i 浸水传感。

V 总结

本工作报道了一种多功能金属锚定分子网阴极界面层Cu(BCP)(PEIE)，它将网状物理结构与Cu-N配位化学及胺诱导偶极工程相结合，同时提升钙钛矿太阳能电池的效率与稳定性。Cu²⁺离子、BCP和PEIE之间的配位增强了化学稳健性，抑制界面离子迁移并提高疏水性；同时，PEIE的偶极效应降低阴极功函数，促进高效电子提取并减少界面复合。

采用Cu(BCP)(PEIE)界面层的器件表现出高效率、优异可重复性和长期运行稳定性，在空气中储存2000 h后仍保持超过95%的初始性能，并在连续运行中呈现延长的寿命。值得注意的是，器件浸水后经热处理可出现部分相恢复，表明界面具有本征韧性。金属锚点和聚合物组分可模块化替换为其他过渡金属及胺官能化聚合物，凸显了该设计的通用性。上述结果确立了分子网策略作为一种可广泛适用的界面范式，可用于构筑兼具化学耐久性和高性能的光电子器件。

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