南方科技大学徐保民团队、香港科技大学广州章勇团队，联合深圳职业技术大学李竞白团队、南华大学王行柱团队，创新性地提出空穴分子材料对称性与分子自组装空间位阻的内在联系，设计并合成了一种轴对称分子pPy，通过其对称结构缓解空间位阻，驱动分子在ITO基底上实现长程有序的π-π堆叠组装。该策略为调控分子自组装结构提供了新途径。所获得的pPy薄膜具有高度有序的面朝上取向和均匀的空间分布，有效促进了电荷传输，从而显著提升了钙钛矿太阳能电池效率。2025年9月30日，相关成果以“Symmetry-driven engineering of long-range-ordered π–π stacking molecules for high-efficiency perovskite photovoltaics”为题，发表在Nature Synthesis期刊上。

论文通讯作者是徐保民讲席教授、章勇助理教授、李竞白副教授、王行柱教授；第一作者为博士生朱培德。

倒置结构钙钛矿太阳能电池（p-i-n PSCs）在优异耐久性、低温加工特性、叠层兼容性及可规模化制造潜力方面均优于传统（n-i-p）结构，使其成为高效低成本光伏商业化极具前景的技术方案。分子工程选择性接触层（MSCs）是实现p-i-n PSCs突破性光电转换效率（PCE）达27%不可或缺的架构组成部分。这类分子通常具有π共轭核心，能在透明电极与钙钛矿层界面实现自组装，促进高效载流子选择性传输。

基于咔唑分子架构的开创性研究为PSCs自组装空穴传输层的发展奠定了基础。根据分子轨道理论，咔唑氮原子上的孤对电子会与苯环形成p-π共轭。但由于氮原子电负性较高，共轭体系电子密度发生极化，孤对电子主要定域于氮原子而非均匀分布在整个π体系。这种电荷分布增强了体系内的电子离域效应，类似于多环芳烃中观察到的行为，从而提升整体电子离域程度，并可能优化分子间π-π堆叠以促进电荷传输。

此外，分子本征对称性是影响自组装形成的关键因素。对称分子易组装成有序长程π-π堆叠结构，而低对称性分子可能导致多重或局部有序排列。分子取向同样至关重要：在电荷传输方向垂直于基底的PSCs中，面朝上分子取向最利于电荷传输，该构型可实现最优π-π堆叠和高效电荷传输。

研究组报道了一种具有高度电子离域能力的对称空穴传输材料（HTM）——(2-(芘-2-基)乙基)膦酸（pPy）。其分子对称性设计有效削弱了空间位阻效应，驱动形成高度定向的分子自组装。这种有序排列建立了长程面朝上π-π堆叠结构，从而增强分子轨道重叠，促进电子离域与电荷传输。采用对称pPy分子制备的倒置PSCs实现了26.60%的光电转换效率，在50摄氏度持续模拟太阳光照射3000小时后仍保持初始效率的94%。

图1：面向π-π堆叠的对称分子设计。

图2：对称分子pPy驱动形成长程有序π-π堆叠面朝上取向的自组装薄膜。

图3：电荷传输机制分析。

图4：基于pPy分子的钙钛矿太阳能电池的光伏性能。

当前多数研究主要致力于增强空穴传输分子极性及其与基底的键合作用，或优化其与钙钛矿层的能级匹配。与之形成鲜明对比的是，该团队开创性地提出了一种具有均匀电子离域特性的对称分子设计理念。这一创新思路有效降低了分子自组装过程中的空间位阻效应，成功在钙钛矿/ITO界面构建出具有长程有序π-π堆叠结构和面朝上取向的电荷传输层。

研究数据证实，基于该策略制备的钙钛矿太阳能电池同时实现了显著提升的光电转换效率和运行稳定性。这类对称分子设计范式将为空穴传输材料、电子传输材料、钙钛矿添加剂及钝化材料等功能材料体系的发展开辟新的维度。这种对称规律的材料设计理念，有望为钙钛矿太阳能电池的光电转换效率突破提供新的技术路径。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s44160-025-00896-3