前言：SAM材料筛选的技术挑战
在太阳能电池技术发展中，开路电压（Voc）和填充因子（FF）的提升一直是研究的核心目标。然而，界面处的非辐射复合损失往往成为限制电池性能的关键瓶颈。自组装单分子层（Self-Assembled Monolayers, SAMs）作为一种有效的界面钝化技术，能够通过精准调控界面能级对齐和缺陷钝化来改善电池性能。
SAM材料的筛选面临着多重挑战。
1. SAM分子结构的微小变化往往对界面钝化效果产生显著影响，需要对大量候选材料进行系统性评估。
2. 传统的器件制作与测试流程耗时耗力，从材料合成到完整太阳能电池制备通常需要数周时间，大幅增加了研发成本。
3. 完整器件的性能往往受到多种因素影响，包括电极质量、传输层特性等，使得纯粹评估SAM材料本身的钝化效果变得困难。
近年来，准费米能级分裂（Quasi-Fermi Level Splitting, QFLS）技术的发展为SAM材料筛选提供了新的解决方案。QFLS能够直接反映材料的光电转换能力，不受器件结构限制，使研究人员能在材料研发初期即对钝化效果进行准确评估。
SAM界面钝化材料筛选的重要突破
溴取代策略的创新应用
新加坡国立大学侯毅(Yi Hou)教授团队在2025年Energy & Environmental Science的研究中，采用溴取代策略修饰自组装单分子层末端基团，在1.79 eV宽带隙钙钛矿电池上实现了1.37 V的VOC，VOC损耗仅0.42 V，成功超越肖克利-奎瑟极限的90%。
研究团队设计了DCB-C4POH、DCB-Br-1和DCB-Br-2等SAM分子，采用旋涂沉积后100°C退火10分钟的标准化制备流程。研究运用稳态PL测量计算QFLS值、光强依赖PLQY测量获取pseudo-JV曲线、SCLC测量评估空穴传输能力，以及EQE和共聚焦PL映像等多种表征技术。
图片取自：Surpassing 90% Shockley–Queisser VOC limit in 1.79 eV wide-bandgap perovskite solar cells using bromine-substituted self-assembled monolayers-Fig.1g-i
实验结果表明，DCB-Br-2 SAM表现能有效调控界面相互作用和能级对齐，显著减少非辐射复合并加速空穴提取。基于该材料的串联太阳能电池实现了27.70%的PCE，VOC达2.11 V，FF为79.81%，JSC为16.49 mA cm⁻²，且几乎无迟滞现象。
图片取自：Surpassing 90% Shockley–Queisser VOC limit in 1.79 eV wide-bandgap perovskite solar cells using bromine-substituted self-assembled monolayers-Fig.3e
SAM界面钝化材料筛选的研究实例
双功能聚合物添加剂的通用性策略
中科院青岛生物能源与过程研究所逄淑平教授团队（2024）在2024年Advanced Materials上发表的研究展示了SAM概念在聚合物添加剂中的延伸应用。该研究团队开发了一种通用的双功能聚合物添加剂，能够同时钝化阳离子和阴离子缺陷，将钙钛矿薄膜的导电类型从强n型转变为弱n型。
研究的关键在于通过能级对齐和抑制体内非辐射复合，使QFLS得到显著增强。实验结果表明，基于1.59 eV钙钛矿的电池实现了1.24 V的最高VOC和23.86%的PCE。该研究运用PLQY、QFLS和EQE_EL等表征技术进行定量分析，证明即使是聚合物添加剂也能发挥类似SAM的界面修饰作用。
取自：Enhanced Quasi-Fermi Level Splitting of Perovskite Solar Cells by Universal Dual-Functional Polymer- Graphical Abstract
离子头功能化的创新设计
沙特阿卜杜拉国王科技大学(KAUST) Stefaan De Wolf教授团队2025年Advanced Energy Materials的研究聚焦于窄带隙铅锡钙钛矿太阳能电池的界面优化。研究团队引入了具有离子头的新型自组装空穴传输层材料BrNH3-4PACz，相较于传统的2PACz和MeO-2PACz，展现出更高的磷铟比和更优异的表面覆盖率。运用QFLS映射技术直观展示了不同SAM衬底上窄带隙钙钛矿的QFLS分布情况。映射结果清晰地呈现了优化后的SAM如何提升电荷载流子在开路条件下的分离程度。
实验数据显示，采用BrNH3-4PACz的器件VOC从平均0.80 V显著提升至0.88 V，同时JSC和填充因子也获得改善，迟滞现象降低。这些性能提升直接归因于材料优异的电荷提取特性。
图片取自：Efficient Narrow Bandgap Pb-Sn Perovskite Solar Cells Through Self-Assembled Hole Transport Layer with Ionic Head-Fig.3d-f
埋藏界面的超分子调控
香港理工大学李刚教授团队在2025年Advanced Materials的研究探讨了埋藏界面对太阳能电池性能的影响机制。研究团队利用超分子组装模板来调控埋藏界面，通过优化界面能级对齐和有效钝化本征缺陷，使VOC从1.197 V提升至1.230 V。
图片取自：Buried Interface Regulation with a Supramolecular Assembled Template Enables High-Performance Perovskite Solar Cells for Minimizing the VOC Deficit-Fig.4c
虽然该研究未直接提供QFLS数值，但其对VOC提升的解释与QFLS在界面缺陷钝化中的作用机制高度一致。研究结果证实了SnO2/钙钛矿埋藏界面非辐射复合的有效消除，实现了超低的VOC亏损。这项工作突出了特定界面钝化对组件整体性能提升的重要性。
图片取自：Buried Interface Regulation with a Supramolecular Assembled Template Enables High-Performance Perovskite Solar Cells for Minimizing the VOC Deficit-Fig.4e
QFLS-Maper在SAM界面钝化材料筛选的应用
QFLS-Maper技术的核心价值在于能够在材料研发初期即对SAM钝化效果进行快速、准确的评估。该技术整合了多种表征功能，为SAM材料的开发与优化提供了多面向的支持。
一、 界面品质的可视化与高通量筛选
QFLS-Maper能够在数秒内生成样品表面的准费米能级分裂（QFLS）空间分布图，使研究人员得以直观评估不同SAM处理后，钙钛矿薄膜表面缺陷钝化的均匀性。QFLS热力图不仅能确认此提升，更能透过分布直方图定量分析其空间均匀性，峰形窄而集中的分布代表更优异的界面质量。
二、 材料内在潜力的快速预测
透过对光致发光量子产率（PLQY）的快速测量，能在数分钟内推导出场效钝化材料的拟态电流-电压（pseudo-JV）曲线。此曲线独立于电极或传输层等外部组件结构，直接反映了经SAM钝化后材料本身的固有光电潜力。这使得研究人员能够在沉积电极前，预测不同SAM材料所能达到的理论开路电压（VOC）与填充因子（FF）上限，从而将资源集中于具潜力的候选材料，大幅降低了试错成本与时间。
三、 精准的能量损失诊断
QFLS-Maper具备高动态范围的PLQY量测能力（灵敏度达1×10⁻⁴%），结合NIST可追溯的校准标准，确保了数据的准确性。基于此，系统可计算出材料的内部开路电压（iVoc），即理想无界面损失下的VOC上限。通过比较iVoc与实际组件的VOC，研究人员能够精准量化由SAM/钙钛矿界面或SAM/电极界面引入的非辐射复合损失。此外，透过对裸吸收层、吸收层/SAM堆栈等半成品的逐层分析，可以清晰地追溯并定位电压损失的来源。
总结与展望
SAM界面钝化技术的发展正推动太阳能电池效率向理论极限迈进。从溴取代策略的突破性成果到各种创新性分子设计，研究人员不断探索新的界面优化方案。QFLS表征技术的成熟应用为这一领域的研究提供了强大的分析工具，使材料筛选从传统的「试错模式」转向「精准预测」。
参考文献
1. Liu, D., Chen, C., Wang, X., Sun, X., Zhang, B., Zhao, Q., ... & Pang, S. (2024). Advanced Materials. Enhanced Quasi-Fermi Level Splitting of Perovskite Solar Cells by Universal Dual-Functional Polymer.
2. Wang, Z., Liang, Q., Li, M., Sun, G., Li, S., Zhu, T., ... & Li, G. (2025). Advanced Materials. Buried Interface Regulation with a Supramolecular Assembled Template Enables High-Performance Perovskite Solar Cells for Minimizing the VOC Deficit.
3. Wei, Z., Zhou, Q., Niu, X., Liu, S., Dong, Z., Liang, H., ... & Hou, Y. (2025). Energy & Environmental Science. Surpassing 90% Shockley-Queisser VOC Limit in 1.79 eV Wide-Bandgap Perovskite Solar Cells Using Bromine-Substituted Self-Assembled Monolayers.
4. Zhumagali, S., Li, C., Marcinskas, M., Dally, P., Liu, Y., Ugur, E., ... & De Wolf, S. (2025). Advanced Energy Materials. Efficient Narrow Bandgap Pb‐Sn Perovskite Solar Cells Through Self‐Assembled Hole Transport Layer with Ionic Head.
