类型a：学术研究报告

一、研究作者及发表信息
本研究由香港城市大学化学系的Bo Li、Chunlei Zhang、Danpeng Gao等团队完成，通讯作者为Zonglong Zhu教授。研究成果发表于期刊*Advanced Materials*（*Adv. Mater.*），发表日期为2024年，文章DOI编号为10.1002/adma.202309768。

二、学术背景与研究目标
本研究属于钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）领域，重点关注锡基钙钛矿太阳能电池（Tin Perovskite Solar Cells, TPSCs）的界面氧化问题。镍氧化物（NiOx）因其低成本、高稳定性和易溶液加工性，被认为是理想的空穴传输材料（Hole Transport Material, HTM），但在TPSCs中其功率转换效率（Power Conversion Efficiency, PCE）显著低于有机HTM（如PEDOT:PSS）。研究团队发现，NiOx与钙钛矿界面存在严重的Sn²⁺氧化问题，导致开路电压（Voc）损失和非辐射复合，从而限制器件性能。因此，本研究旨在揭示界面氧化机制，并通过开发新型自组装单分子层（Self-Assembled Monolayer, SAM）修饰策略抑制氧化，提升NiOx基TPSCs的效率和稳定性。

三、研究流程与方法
1. 问题定位与表征
- 性能对比：通过统计近期文献数据，发现NiOx基TPSCs的Voc比PEDOT:PSS基器件低0.1–0.2 V，PCE低3–5%。
- 结构分析：采用X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）分析钙钛矿薄膜的Sn氧化状态。结果显示，NiOx界面Sn⁴⁺/Sn²⁺比例显著高于PEDOT:PSS界面，且氧化程度随薄膜厚度减小（模拟界面）而加剧。
- 缺陷表征：通过高分辨率XPS分析NiOx表面化学态，发现高价态Ni≥3⁺缺陷（如NiOOH）作为路易斯酸和氧化剂，与Sn²⁺反应导致界面氧化。

1. 界面修饰策略开发

   • 分子设计：合成自组装单分子层（SAM）分子(4-(7H-二苯并[c,g]咔唑-7-基)乙基)膦酸（2PACDBC），其膦酸基团可锚定NiOx的未配位Ni≥3⁺缺陷，抑制氧化反应。
     
   • 电子调控：密度泛函理论（DFT）模拟显示，2PACDBC通过增加Sn周围的电子密度，提高Sn氧化活化能，减少四价锡（Sn⁴⁺）缺陷。
     

2. 器件制备与优化

   • 器件结构：采用ITO/NiOx/2PACDBC/钙钛矿/C60/BCP/Ag的p-i-n结构。
     
   • 性能测试：通过电流密度-电压（J-V）曲线、外量子效率（EQE）和稳态功率输出（MPP）测试器件性能。优化后的小面积（0.1 cm²）器件Voc从0.712 V提升至0.825 V，PCE达14.19%；大面积（1 cm²）器件PCE达12.05%。
     

3. 稳定性验证

   • 长期稳定性：在AM 1.5G光照下连续运行1000小时，2PACDBC修饰的器件保持93%初始效率，未修饰器件效率衰减至70%。
     
   • 热稳定性：85°C加热500小时后，修饰器件的Sn⁴⁺/Sn²⁺比例和Ni≥3⁺含量变化显著低于对照组。
     

四、主要研究结果
1. 界面氧化机制：Ni≥3⁺缺陷通过路易斯酸作用氧化Sn²⁺，形成界面空穴提取势垒，导致Voc损失。
2. 修饰效果：2PACDBC通过锚定Ni≥3⁺和电子捐赠，将Sn⁴⁺比例降低50%以上，Voc提升15.9%。
3. 性能突破：NiOx基TPSCs的PCE首次突破14%（小面积）和12%（大面积），为当前最高纪录。
4. 稳定性提升：界面氧化抑制使器件在高温和光照下表现出卓越稳定性。

五、研究结论与价值
本研究揭示了NiOx基TPSCs性能受限的根源——界面Sn氧化，并提出了一种高效的SAM修饰策略。2PACDBC分子通过双重作用（缺陷钝化和电子调控）显著提升器件效率和稳定性。其科学价值在于：
1. 机制创新：首次阐明Ni≥3⁺缺陷与Sn²⁺的氧化动力学关系。
2. 技术应用：为无机HTM在TPSCs中的规模化应用提供可行方案。
3. 行业影响：推动无铅钙钛矿光伏器件的商业化进程。

六、研究亮点
1. 创新性发现：首次证明NiOx界面氧化是TPSCs性能瓶颈，并提出针对性解决方案。
2. 方法学创新：开发新型SAM分子2PACDBC，兼具缺陷钝化和电子调控功能。
3. 性能突破：实现NiOx基TPSCs效率与稳定性的同步提升，填补该领域技术空白。

七、其他价值
本研究通过理论模拟（DFT）与实验验证（XPS、KPFM等）紧密结合，为钙钛矿界面工程提供了范式。此外，大面积器件的成功制备（1 cm²，PCE 12.05%）展示了技术可扩展性，对产业化具有重要参考意义。