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锡基钙钛矿太阳能电池均质埋底界面的突破性研究

作者及机构
本研究由Tianpeng Li（复旦大学智能材料与未来能源学院）、Xin Luo（南京理工大学化学与化工学院）、Peilin Wang（复旦大学）等来自中国多所高校及研究所的团队共同完成，通讯作者为Jia Liang（复旦大学）、Bo Xu（南京理工大学）和Yabing Qi（上海交通大学）。论文于2025年10月8日被Nature期刊接受发表，标题为《Tin-based perovskite solar cells with a homogeneous buried interface》。

学术背景
研究领域：本研究属于光伏材料与器件领域，聚焦于无铅钙钛矿太阳能电池（PSCs）的开发。传统铅基钙钛矿虽效率高，但铅的毒性限制了其商业化应用。锡（Sn）基钙钛矿因其环境友好性和理想带隙（理论效率超33%）成为替代选择，但目前锡基钙钛矿太阳能电池（TPSCs）的效率（最高认证效率16%）和稳定性仍落后于铅基器件。
研究动机：效率瓶颈主要源于空穴传输层（HTL, Hole Transport Layer）与钙钛矿界面的能量失配、缺陷密度高及非辐射复合损失。尤其是常用的HTL材料（如PEDOT:PSS）易吸湿、酸性强，加速Sn²⁺氧化；而替代材料NiOx虽稳定性好，但存在氧空位和界面氧化还原反应问题。
研究目标：设计新型界面分子修饰NiOx HTL，优化空穴提取能力，同时通过均质埋底界面调控钙钛矿薄膜生长，实现高效率、高稳定性的TPSCs。

研究流程与方法
1. 分子设计与合成
- 分子结构：设计两种自组装分子：(Z)-3-(4’,5’-bis(4-(bis(4-methoxyphenyl)amino)phenyl)-[2,2’-bithiophen]-5-yl)-2-cyanoacrylic acid（MBC）和(E)-(2-(4’,5’-bis(4-(bis(4-methoxyphenyl)amino)phenyl)-[2,2’-bithiophen]-5-yl)-1-cyanovinyl)phosphonic acid（MBP）。其结构包含锚定基团（磷酸/羧酸）、末端基团（二甲氧基-三苯胺）和间隔基团（联噻吩），通过核磁共振（NMR）和质谱（MS）验证。
- 创新点：MBP的氰基和甲氧基诱导大偶极矩，增强与NiOx的相互作用，且最高占据分子轨道（HOMO, -4.95 eV）与Sn钙钛矿的价带顶（VBM, -5.10 eV）能级匹配。

1. 界面表征与优化

   • 均匀性验证：通过原子力显微镜（AFM）和开尔文探针力显微镜（KPFM）显示，MBP修饰的NiOx表面粗糙度（RMS=1.87 nm）显著低于传统分子2PAcZ（6.04 nm），分子动力学模拟证实MBP无相分离。
     
   • 能级调控：紫外光电子能谱（UPS）测得NiOx/MBP的HOMO为-4.95 eV，与钙钛矿能级对齐，界面偶极矩增强空穴提取。
     

2. 钙钛矿薄膜生长

   • 超浸润性调控：接触角测试表明，MBP修饰的NiOx对钙钛矿前驱液接触角<10°，形成无针孔的均质薄膜（SEM验证）。
     
   • 应力释放：掠入射X射线衍射（GIXRD）显示MBP界面使钙钛矿薄膜残余压应力接近零，减少晶格失配。
     

3. 器件制备与测试

   • 结构：ITO/NiOx/MBP/Sn钙钛矿/ICBA/BCP/Ag，其中Sn钙钛矿成分为FA₀.₉PEA₀.₁SnI₃。
     
   • 性能指标：小面积器件（0.04 cm²）效率达17.89%（认证17.71%），1 cm²器件效率创纪录达14.40%。稳态PL和瞬态PL（TRPL）证明MBP界面非辐射复合损失最低。
     

4. 稳定性验证

   • 封装器件在环境储存1344小时后保持95%初始效率，连续1-sun光照1550小时后保持94.7%效率，远优于NiOx对照组（57%）。
     

主要结果与逻辑关联
- 分子设计：MBP的均匀覆盖和能级匹配（HOMO=-4.95 eV）直接优化了空穴提取（TRPL寿命缩短），支撑了高Voc（0.99 V）。
- 界面工程：超浸润性引导钙钛矿均质生长（SEM无孔洞），GIXRD和XPS显示MBP抑制Sn⁴⁺缺陷（Sn⁴⁺/Sn²⁺比值最低），使QFLS（准费米能级分裂）达1.02 eV。
- 器件性能：电化学阻抗谱（EIS）表明MBP降低界面电阻（Rct最小），暗电流降低4个数量级，验证了缺陷钝化效果。

结论与价值
科学价值：
1. 提出“界面偶极矩-能级对齐-应力释放”协同策略，为无铅钙钛矿界面设计提供新范式。
2. 首次实现NiOx基HTL效率超越PEDOT:PSS（17.89% vs. 16%），证明其商业化潜力。
应用价值：
1. 大面积器件（1 cm²）效率14.4%为当前最高，推动TPSCs规模化应用。
2. 分子MBP的普适性可拓展至其他钙钛矿体系（如2D/3D异质结）。

研究亮点
1. 分子创新：MBP通过氰基-甲氧基偶极和磷酸锚定基团，实现均匀覆盖与高效电荷转移（吸附能-2.71 eV）。
2. 界面调控：首次将超浸润性与应力释放结合，获得无缺陷埋底界面（PLQY=4.5%）。
3. 稳定性突破：MBP抑制NiOx氧空位对钙钛矿的氧化，光照稳定性超1500小时。

其他价值：
- 开发无损剥离技术表征埋底界面形貌（SEM），为界面研究提供方法学参考。
- 分子动力学模拟与实验结合，为自组装分子设计建立理论框架。

此研究通过多尺度界面工程，解决了TPSCs效率与稳定性的核心矛盾，为无铅光伏器件的商业化迈出关键一步。