类型a：学术研究报告

一、研究团队与发表信息
本研究由Tianpeng Li（复旦大学）、Xin Luo（南京理工大学）等12家机构的17位学者合作完成，通讯作者为Bo Xu（南京理工大学）、Jia Liang（复旦大学）和Yabing Qi（上海交通大学）。研究成果于2025年12月4日发表在*Nature*期刊（第648卷），标题为《Tin-based perovskite solar cells with a homogeneous buried interface》。

二、学术背景与研究目标
锡基钙钛矿太阳能电池（TPSCs, Tin-based perovskite solar cells）作为铅基器件的无毒替代方案，理论光电转换效率（PCE, power conversion efficiency）可超过33%，但实际性能受限于空穴传输层（HTL, hole transport layer）和埋底界面（buried interface）的缺陷。本研究旨在通过设计新型分子界面修饰层（MBP和MBC），优化镍氧化物（NiOx）基HTL，解决传统材料（如PEDOT:PSS）的吸湿性、酸性及能级不匹配问题，提升TPSCs的效率和稳定性。

三、研究流程与方法
1. 分子设计与合成
- 设计两种自组装分子（SAMs）：(Z)-3-(4′,5′-双(4-(双(4-甲氧基苯基)氨基)苯基)-[2,2′-联噻吩]-5-基)-2-氰基丙烯酸（MBC）和(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）。
- 通过核磁共振（NMR）和质谱（MS）验证分子结构（补充图1-6），并优化其在乙醇中的溶解度（1 mg/mL）。

1. 界面修饰与表征

   • 将MBP/MBC旋涂于NiOx基底，通过原子力显微镜（AFM）和开尔文探针力显微镜（KPFM）分析表面均匀性。MBP修饰的NiOx粗糙度（RMS=1.87 nm）显著低于传统分子2PAcz（6.04 nm）（图1a-c）。
     
   • 紫外光电子能谱（UPS）显示MBP修饰后NiOx的最高占据分子轨道（HOMO）能级从-5.14 eV提升至-4.95 eV，与锡基钙钛矿的价带顶（VBM=-5.10 eV）更匹配（图1d）。
     

2. 钙钛矿薄膜生长与缺陷控制

   • 接触角测试表明MBP修饰层对钙钛矿前驱体溶液具有超亲润性（接触角<10°），而PEDOT:PSS为49.7°（图2a）。
     
   • 通过无损剥离技术结合扫描电镜（SEM）证实MBP修饰的埋底界面无针孔（图2b-g）。掠入射X射线衍射（GIXRD）显示MBP显著降低薄膜残余应力（图2h）。
     

3. 器件制备与性能测试

   • 器件结构：ITO/NiOx/MBP或MBC/Sn基钙钛矿/ICBA/BCP/Ag（图4a）。
     
   • 小面积（0.04 cm²）TPSCs的认证PCE达17.71%（反向扫描），Voc=0.99 V，Jsc=22.48 mA/cm²，FF=80.66%（图4b-d）。1 cm²大面积器件PCE创纪录达14.40%（补充图28）。
     
   • 电化学阻抗谱（EIS）显示MBP修饰器件的电荷转移电阻（Rct）最低，复合电阻（Rrec）最高（图4f）。
     

四、主要结果与逻辑关联
1. 分子均匀性提升界面质量：MBP的均匀分布（AFM验证）减少了界面缺陷，增强空穴提取（TRPL寿命缩短，图1f）。
2. 能级匹配优化电荷传输：MBP的HOMO能级（-4.95 eV）与钙钛矿VBM对齐，Voc提升至0.99 V（图4b）。
3. 超亲润性促进薄膜生长：MBP修饰的NiOx引导均匀钙钛矿结晶，缺陷密度降低（XPS显示Sn4+/Sn2+比例下降，图3e）。
4. 稳定性突破：封装器件在环境储存1,344小时后保持95%初始PCE，连续1,550小时光照下保持94.7%（图4g-h）。

五、结论与价值
本研究通过MBP分子界面工程，实现了TPSCs效率（17.89%）和稳定性的同步突破。科学价值在于揭示了均匀分子层对能级对齐和应力调控的作用；应用价值为无铅钙钛矿光伏的商业化提供了新策略。

六、研究亮点
1. 创新分子设计：MBP的氰基乙烯基膦酸锚定基团和二甲氧基三苯胺端基协同优化能级与润湿性。
2. 多尺度表征技术：结合GIWAXS、GIXRD和XPS，阐明界面应力-缺陷-性能的关联机制。
3. 可扩展性验证：1 cm²器件效率达14.40%，证明工艺兼容性。

七、其他发现
分子动力学模拟（补充图10）显示MBP在NiOx表面无相分离，而传统分子2PAcz易聚集。理论计算证实MBP与NiOx的吸附能（-2.71 eV）最强（图1g），支持其高效空穴转移能力。