研究困難與挑戰
寬能隙(WBG)子電池中，作為空穴傳輸層的氧化鎳(NiOx)與自組裝單分子層(SAMs)之間的接口接觸問題，嚴重限制了器件的效率和穩定性。
現有技術存在以下主要挑戰：
•NiOx腐蝕問題：傳統上廣泛使用的SAMs，例如含有磷酸(PA)作為錨定基團的 SAMs (PA-SAMs)，其酸性較強，容易腐蝕具有化學反應性的NiOx層，會損害NiOx層的完整性和功能，進而削弱器件的穩定性。
•SAM分子聚集與接口問題：傳統SAMs分子在NiOx表面容易發生聚集現象，不均勻的成膜會導致接口損失，影響載流子傳輸效率，并造成顯著的開路電壓(VOC)損失。
研究團隊與成就
這篇關于高效能全鈣鈦礦疊層太陽能電池的突破性研究，由中國科學院寧波材料技術與工程研究所葛子義和劉暢團隊領導，發表在國際頂尖科學期刊Nature Communications。
研究團隊成功開發了酸性較弱的硼酸功能化SAM，不僅有效抑制了對NiOx的腐蝕，還能形成更均勻、結合力更強的接口層，顯著提升了全鈣鈦礦疊層太陽能電池的效率，并大幅增強了器件的長期運行穩定性。
圖S6：解決的原始問題（腐蝕）
研究的核心成就包含：
•解決NiOx腐蝕問題：成功開發酸性較弱的自組裝單分子層(SAMs)，顯著降低對氧化鎳(NiOx)空穴傳輸層的腐蝕，提升接口穩定性。
•改善SAM成膜質量：新型SAM展現出更強的接口結合力與更均勻的成膜特性，有效克服傳統SAM分子易聚集、覆蓋不均的問題，降低接口損失。
•優化鈣鈦礦薄膜品質：改良后的接口促進鈣鈦礦晶體更均勻生長，減少缺陷，并有效抑制光照引起的相分離，提升薄膜質量與穩定性。
•顯著提升器件效率：單結寬能隙(WBG)子電池效率由18.9%提升至20.1%；全鈣鈦礦疊層太陽能電池(TSCs)效率更達到28.5%。
•大幅增強運行穩定性：研究成果大幅提高了器件的穩定性，全鈣鈦礦疊層電池在連續光照500小時后仍能保持初始效率的90%。
實驗步驟與過程
制備界面材料與薄膜：研究團隊制備多種自組裝單分子層(SAMs)材料，并在ITO導電玻璃上依序沉積NiOx層與SAMs，形成ITO/NiOx/SAMs薄膜結構。同時制備傳統SAM材料(如Me-4PACz)作為對照組。部分樣品制備后以乙醇旋涂清洗，去除殘留分子。
制作單結寬能隙太陽能電池：以制備的ITO/NiOx/SAM薄膜作為空穴傳輸層，旋涂沉積寬能隙鈣鈦礦薄膜，再依序沉積電子傳輸層(C60、ALD SnO2)和銀電極，完成單結寬能隙電池制作。
制作全鈣鈦礦疊層太陽能電池：將寬能隙子電池與窄能隙鈣鈦礦子電池整合，構建雙端全鈣鈦礦疊層太陽能電池。完整結構為：ITO/NiOx/SAM/寬能隙鈣鈦礦/C60/SnO2/Au/PEDOT:PSS/窄能隙鈣鈦礦/C60/BCP/Ag。
評估電池效能：在標準測試條件(1 sun, 100 mW/cm2)下，測量單結和疊層電池的電流-電壓特性，評估光電轉換效率、開路電壓、短路電流密度及填充因子等關鍵參數。同步進行穩態功率輸出追蹤和外部量子效率量測。
進行穩定性測試：對封裝后的疊層電池進行最大功率點連續光照追蹤測試，持續500小時以評估長期運行穩定性。另外進行85℃高溫光照老化測試，驗證電池的熱穩定性能。
表征手法與結果
準費米能階分裂(QFLS)
衡量材料在光照下最大理論開路電壓(iVOC)的指標，直接反映非輻射復合損失的程度。研究發現，與純鈣鈦礦薄膜的QFLS相比，接觸傳統Me-4PACz接口的鈣鈦礦QFLS顯著降低至 1.296 eV，表明嚴重的接口復合。使用新型S-BA-SAM處理后，QFLS僅從1.326 eV輕微降低至1.322 eV，接近純薄膜值，如圖5f。直接證明S-BA-SAM大幅減少了NiOx/鈣鈦礦界面的非輻射復合損失。
光焱科技全新推出QFLS-Maper預測材料性能極限！
Enlitech QFLS-Maper，以經濟實惠的1/5投資成本，即可實現Mapping功能并生成QFLS影像，直觀呈現準費米能級分布全貌，材料質量優劣立即顯現！
關注我們，掌握第一手技術信息！
電流-電壓(J-V)特性與穩態功率輸出(SPO)測試
量測太陽能電池在標準光照下的光電轉換性能，并評估器件的穩定性。進行標準J-V測試需使用符合AM1.5G光譜標準的太陽光模擬器。Enlitech的SS-X系列太陽光模擬器在多篇文獻中被引用，提供高度精確且穩定的光照。
圖6c展示了子電池及最終疊層電池的J-V曲線。經過新型S-BA-SAM優化后，寬能隙(WBG)子電池效率從對照組的18.9%提升至20.1%。最終組裝的全鈣鈦礦疊層電池實現了最高28.5%的效率。
圖6d的穩態功率輸出曲線顯示，器件在連續 1 sun 光照追蹤500小時后，仍能保持初始效率的90%，展現出優異的長期穩定性。
外量子效率(EQE)
研究團隊使用了Enlitech的REPS量測儀器進行了EQE量測，量測器件在不同波長光照下產生電流的效率，用于分析器件對不同光譜的響應并計算理論短路電流密度(JSC)，與J-V測試結果相互驗證。
圖6e呈現了全鈣鈦礦疊層電池的EQE譜線，顯示了寬能隙子電池在短波長區域（約 300-750 nm）和窄能隙(NBG)子電池在長波長區域（約 650-900 nm）的有效量子效率。從EQE積分計算得到的子電池JSC值(16.0和 16.2 mA cm-2)與J-V測試結果吻合良好，證實了性能數據的準確性。
光致發光量子效率(PLQY)
反映材料或薄膜輻射復合的效率，與非輻射復合損失呈負相關。
圖S54：NiOx/Me-4PACz/鈣鈦礦樣品的PLQY顯著低于純鈣鈦礦薄膜，再次確認了嚴重的接口復合。而NiOx/S-BA-SAM/鈣鈦礦樣品表現出更高的 PLQY (0.247%)，與QFLS結果一致，證明新型SAM有效抑制了接口復合。
原子力顯微鏡(KPFM)
量測表面電勢差(CPD)，分析材料功函數和接口的能級排列、均勻性及缺陷分布。
圖1h-o：NiOx/SAM表面KPFM影像與CPD分布圖顯示，S-BA-SAM處理的NiOx表面CPD分布更窄，表明SAM層更均勻。
圖4a-e：鈣鈦礦埋入接口KPFM分析也表明S-BA-SAM處理的接口CPD分布FWHM更窄，且光照老化后電勢變化小，說明接口更均勻穩定。
X光電子能譜(XPS)
分析材料表面元素組成和化學態，特別用于研究SAM與NiOx之間的相互作用和NiOx的化學變化。
圖1g：Ni 2p3/2 XPS 譜線顯示，S-BA-SAM處理的NiOx相比Me-4PACz處理的峰位有向低結合能偏移，表明S-BA-SAM與NiOx之間存在更強的電荷轉移和相互作用。
掠角入射X射線繞射 (GIXRD) / 廣角X射線散射(GIWAXS)
分析薄膜的晶體結構、晶粒取向和應力。
圖3i-k：GIWAXS譜圖顯示，對照組薄膜出現晶格畸變引起的衍射峰分裂，而S-BA-SAM薄膜則無此現象，表明應力較小，S-BA-SAM有利于鈣鈦礦薄膜形成更佳的(100)取向，有利于載流子傳輸。
電感耦合電漿體發射光譜(ICP-OES)
量測溶液中金屬元素的含量，用于評估SAM對NiOx薄膜的腐蝕程度。
圖S6：將ITO/NiOx薄膜浸泡在不同SAM溶液后，使用S-BA-SAM溶液浸泡的薄膜釋放的鎳含量 (29 ug/L) 遠低于使用Me-4PACz溶液的薄膜 (87 ug/L)，直接證實了新型S-BA-SAM顯著減輕了對NiOx層的腐蝕作用。
密度泛函理論(DFT)與分子動力學(MD)模擬
深入理解SAM分子與NiOx表面之間的吸附機制、結合能、電荷分布、能級以及SAM形成過程中的分子行為。
圖1a-f：DFT計算得到的SAM分子在NiOx表面（包括含氧空位表面）的吸附構型、差分電荷密度和電子局域函數(ELF)圖。計算結果表明S-BA與NiOx之間有更強的結合能，特別是苯并噻吩頭基與Ni之間存在額外的相互作用。圖S1644的MD模擬則展示了SAM分子在表面的分布均勻性，理論上支持了新型SAM有助于形成均勻薄膜的假設。
其他表征
•掃描電子顯微鏡(SEM)：觀察薄膜表面和器件截面形貌，評估晶粒大小、形狀、缺陷以及老化后的形貌變化。（圖6b、圖3e-h）
•光致發光分布 (PL Mapping)：提供薄膜PL強度的空間分布，直觀顯示薄膜的均勻性和缺陷區域。（如圖S50）
•時間解析光致發光(TRPL)：量測光生載流子的壽命，反映體相或接口的復合速率。S-BA-SAM處理的薄膜載流子壽命更長。（圖5j）
•紫外光電子能譜(UPS)：確定材料的功函數和能級位置，有助于構建能級圖，理解電荷傳輸。（圖4f）
•空間電荷限制電流(SCLC)分析：評估空穴傳輸層的載流子遷移率和密度，S-BA-SAM處理后空穴密度降低。（圖S39）
•電化學阻抗譜(EIS)：分析器件內部的電荷傳輸和復合阻抗。S-BA-SAM器件表現出更高的復合阻抗。（圖5i）
•接觸角量測：評估鈣鈦礦前驅液在SAM處理表面的潤濕性，影響薄膜的成核和生長。（圖S34）
•原位 (In-situ) UV-Vis 吸收譜和PL譜：監測鈣鈦礦薄膜在旋涂過程中的成核和結晶動力學（圖 2b, c）。
•飛行時間二次離子質譜(TOF-SIMS)：分析器件結構中各元素的深度分布，用于研究光照老化過程中元素的遷移。（圖S33）
•傅里葉變換紅外光譜(FTIR)：分析SAM分子與鈣鈦礦前驅體中FAI分子之間的相互作用（如圖2a）。
結論
研究團隊開發了一種新型弱酸性硼酸功能化自組裝單分子層(S-BA-SAM)，用于改質全鈣鈦礦疊層太陽能電池中寬能隙子電池的NiOx電洞傳輸層接口。
主要研究成果如下：
界面穩定性提升：S-BA-SAM與NiOx形成穩固鍵結，有效抑制NiOx腐蝕，性能優于傳統磷酸基SAMs，并促進在NiOx表面的均勻成膜，改善界面形態和覆蓋率。
薄膜品質優化：接口改質顯著優化鈣鈦礦薄膜結晶過程，促進均勻鹵化物分布并抑制光照相分離，大幅提升薄膜質量和光穩定性。
載流子傳輸改善：優化后的接口特性加速載流子傳輸，減少非輻射復合損失，有效延長載流子壽命。
效率顯著提升：采用優化接口層的寬能隙單結電池，光電轉換效率從18.9%提升至20.1%。整合后的兩端疊層太陽能電池更創下28.5% PCE的優異紀錄。
長期穩定性：得益于寬能隙子電池的改善，疊層器件展現運行穩定性，在1 sun最大功率點追蹤500小時后，仍維持初始效率90%以上。
文獻參考自nature communications_DOI: 10.1038/s41467-025-59515-6
本文章為Enlitech光焱科技改寫 用于科研學術分享 如有任何侵權 請來信告知
