破纪录！复旦/上交/南理工，三校合作，最新Nature！

一、研究背景

锡基钙钛矿太阳能电池（TPSCs）作为一种无毒且环保的替代品，正迅速成为铅基器件的有前景替代方案。目前，倒置结构 TPSC 的认证功率转换效率（PCE）已超过 16%。

二、关键问题

目前，TPSCs的研究主要存在以下问题：

1、空穴传输层和埋藏界面的限制

TPSC 性能滞后的部分原因在于空穴传输层（HTL）欠佳和埋藏界面质量差，这严重阻碍了空穴提取。替代 HTL 材料如镍氧化物（NiO_x）则受限于能级排列不良、氧空位和界面氧化还原反应，这些因素阻碍空穴提取并加速钙钛矿降解。

2、传统界面分子的不适用性

传统用于铅基钙钛矿太阳能电池（LPSCs）的自组装分子在 NiO_x 衬底上通常覆盖不均匀，对钙钛矿前驱体的润湿性差。此外，这些分子的最高占据分子轨道能级通常比锡基钙钛矿的价带最大值更深，这限制了空穴提取效率。

三、新思路

有鉴于此，复旦大学梁佳、上海交通大学戚亚冰、南京理工大学徐勃等人报道了在埋藏界面使用 (E)-(2-(4',5'-双(4-(双(4-甲氧基苯基)氨基)苯基)-[2,2'-联噻吩]-5-基)-1-氰基乙烯基)膦酸 (MBP)，通过分子薄膜来优化倒置 TPSC 中的空穴传输层。这种分子薄膜形成了均匀的界面层，具有良好匹配的能级排列，显著增强了空穴提取。此外，该方法创建了一个超润湿的底层，引导了均匀、高质量锡基钙钛矿薄膜的生长，从而减少了缺陷密度并最小化了非辐射复合损失。最终，由此产生的倒置小面积 TPSC 实现了17.89% 的创纪录PCE（在反向扫描模式下认证值为 17.71%）。此外，封装后的器件在环境货架存储1344小时后，仍保持超过95% 的初始 PCE，在连续太阳光照下运行1550小时后，仍保持超过94% 的初始 PCE。值得注意的是，作者为 1 cm TPSC 实现了 14.40% 的创纪录 PCE，突显了该策略的可扩展性。

技术方案：

1、评估了MBC和MBP在NiO_x表面上的分布

MBC和MBP在NiO_x表面分布更均匀，能级对准更好，空穴提取更有效，与NiO_x结合更强。

2、探究了均匀的MBC和MBP层对 Sn-基钙钛矿前驱体溶液的超润湿性

研究表明，MBC和MBP层疏水性强，对钙钛矿前驱体超润湿，促进均匀覆盖，减少了针孔和残余应力。

3、研究了埋藏界面的晶相纯度

MBP使Sn基钙钛矿薄膜晶相纯度高，抑制了Sn空位，钝化界面缺陷，减少非辐射复合，提高了均匀性和空穴提取效率。

4、证实了器件性能的优异性

NiOx/MBP HTL的TPSC效率达17.89%，大面积1cm²TPSC效率14.40%，稳定性优异，界面缺陷少。

技术优势：

1、实现了界面均一性与能级对准的突破

本文设计了磷酸功能化的新型自组装分子 MBP，该分子在 NiO_x 表面形成了极度均匀的界面层，有效避免了传统分子的相分离问题 。NiO_x/MBP 界面展现出最优的能级对准，从而实现了最高的空穴提取和转移效率。

2、实现了高质量薄膜和有效的应力释放

MBP 层为钙钛矿前驱体溶液提供了超润湿性，促进了紧密、光滑、无针孔的 Sn-基钙钛矿薄膜的生长。该分子有效释放了钙钛矿薄膜中的残余压应力，并显著抑制了Sn⁴⁺  空位 。这些界面和薄膜质量的提升使得器件实现了 17.89% 的创纪录 PCE 和在环境储存 1344 小时后保持 95% 效率的优异长期稳定性。

技术细节

均匀分子膜分布

为了评估 MBC 和 MBP 在 NiOx 表面上的分布，研究人员采用了原子力显微镜（AFM）和分子动力学（MD）模拟 。AFM 图像显示，NiO_x/2PACz 具有 6.04 nm 的高均方根（RMS）粗糙度，并伴随亮聚集体，这可能在埋藏界面产生纳米空洞 。相比之下，NiO_x/MBC (3.18 nm) 和 NiO_x/MBP (1.87 nm) 的 RMS 粗糙度显著降低，表明在NiO_x表面具有更均匀的分子分布 。MD模拟结果也证实，2PACz 存在明显的相分离，而 MBC 和 MBP 具有均匀分布 。在能级对准方面，UPS测量显示 NiOx/MBP 的 HOMO 能级 (-4.95 eV) 与 Sn-基钙钛矿的 VBM (-5.10 eV) 具有最有利的能级排列 。时间分辨光致发光（TRPL）曲线证实，NiOx/MBP HTL 具有最短的 PL 寿命，表明其空穴提取最有效 。此外，第一性原理计算的吸附能 (E_ads ) 显示 MBP (-2.71 eV) 与 NiOx 具有最强的结合强度，有助于高效的空穴转移 。

图  均匀的分子分布和优化的能带排列用于增强空穴提取和转移

超润湿底层

均匀的 MBC 和 MBP 层表现出对水的高疏水性（水接触角超过79∘），提供了对湿气的保护 。与此同时，它们对 Sn-基钙钛矿前驱体溶液显示出超润湿性（接触角均低于10∘），这极大地促进了均匀的 Sn-基钙钛矿覆盖 。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，沉积在 NiOx/MBP HTL 上的钙钛矿薄膜具有紧凑且光滑的埋藏表面，没有可见的针孔 。相反，NiOx HTL 上的薄膜则显示出大量针孔 。通过掠入射 X 射线衍射（GIXRD）测量残余应力，结果表明，NiOx/MBP 上的 Sn-基钙钛矿薄膜显示出接近零的斜率，这表明残余应力得到了大幅释放，仅留下轻微的压应力 。这些结果突出表明 MBP 能够通过合理的分子设计有效释放残余应力并减少晶格失配 。

图  埋层界面Sn基钙钛矿薄膜的形貌和结构

高相纯度

通过掠入射广角 X 射线散射（GIWAXS）研究了埋藏界面的晶相纯度，结果显示 NiOx/MBP HTL 上的 Sn-基钙钛矿薄膜具有最尖锐和最强的布拉格斑点，这表明其具有最高的晶相纯度 。X 射线光电子能谱（XPS）分析显示，Sn⁴⁺ /Sn²⁺

比率遵循 NiO_x > NiO_x/MBC > NiO_x/MBP 的顺序，这表明 MBP 最有效地抑制了 Sn 空位 。此外，沉积在 NiO_x/MBP HTL 上的 Sn-基钙钛矿薄膜显示出最高的光致发光量子产率（PLQY）(4.5%) 和最高的准费米能级分裂（QFLS）(1.02 eV)，这证实 MBP 是钝化界面缺陷和减少非辐射复合损失的最有效分子 。顶表面 SEM 图像进一步显示 NiOx/MBP 上的薄膜紧凑且光滑，没有明显针孔 。PL 映射显示 NiOx/MBP HTL 上的钙钛矿薄膜具有最高的均匀性，且最低的 PL 映射强度进一步证实了最高效的空穴提取。

图  高相纯度最大限度地减少界面能量损失

器件性能

研究人员制作了结构为 ITO/HTL/Sn-基钙钛矿/ICBA/BCP/Ag 的 TPSC。使用 NiOx/MBP HTL 的 TPSC 实现了 17.89% 的 PCE，具有V_OC =0.99 V, J_SC =22.48 mA/cm² , 和 FF=80.66% 。该 PCE 经认证为 17.71%（反向扫描模式），创下了 TPSC 的最高记录 。此外，1 cm²大面积 TPSC 也实现了 14.40% 的 PCE，这也是大面积 TPSC 的最高记录 。电化学阻抗谱（EIS）分析显示，NiOx/MBP TPSC 具有最低的电荷转移电阻 (R_ct ) 和最高的载流子复合电阻 (R_rec )，表明其空穴提取和转移能力最强，且界面载流子复合得到最有效抑制 。暗态 J-V 曲线证实，MBP 的掺入使暗态 J_SC降低了四个数量级，表明界面缺陷密度显著降低 。在长期稳定性方面，封装后的 NiOx/MBP 器件在环境储存 1344 小时后，仍保持超过 95% 的初始 PCE 。在连续 1 太阳光照下运行 1550 小时后，仍保持约 94.7% 的初始 PCE，展示了优异的运行稳定性。

图  TPSC的光伏性能

五、展望

总之，本文通过引入新型分子MBP作为界面修饰剂，成功优化了倒置锡基钙钛矿太阳能电池（TPSCs）中的 NiOx 空穴传输层。MBP 形成了高度均匀的界面层，实现了理想的能级对准和超润湿性，从而促进了高质量、低缺陷密度的锡基钙钛矿薄膜生长。最终，小面积TPSC 实现了17.89% 的创纪录 PCE（认证值 17.71%），这是 NiOx 基空穴传输层首次超越 PEDOT:PSS 达到的最高效率。该策略还实现了14.40%的1 cm² 大面积 TPSC 创纪录 PCE，并展现出卓越的长期稳定性，在连续太阳光照下运行 1550 小时后仍保持超过4%的初始 PCE。这些结果突显了通过精确的界面分子设计来推动高性能无铅钙钛矿光伏器件发展的巨大潜力。

参考文献：

Li, T., Luo, X., Wang, P. et al. Tin-based perovskite solar cells with a homogeneous buried interface. Nature (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09724-2

已收藏 0

点赞 4