1. 研究背景與挑戰(zhàn)

研究背景與現(xiàn)況

錫基鈣鈦礦太陽能電池(TPSCs)具備無鉛環(huán)保特性，且其理想能帶間隙支持超過33%的理論光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)。然而，TPSCs的實(shí)際性能與穩(wěn)定性仍存在瓶頸。問題核心在于空穴傳輸層(HTL)次優(yōu)化，以及不良的埋藏接口阻礙了有效的空穴提取。目前高效率倒置TPSCs多采用PEDOT:PSS，但其吸濕性和酸性會(huì)加速鈣鈦礦降解與氧化。

研究界轉(zhuǎn)向氧化鎳(NiOx)作為替代HTL，因NiOx具有高載流子傳輸效率和優(yōu)異穩(wěn)定性。NiOx應(yīng)用受限于能量能級(jí)匹配不良、氧空位和接口氧化還原反應(yīng)，這些問題皆會(huì)抑制空穴提取。傳統(tǒng)用于鉛基鈣鈦礦電池的SAM（如2PACz）在NiOx表面覆蓋不均勻。其HOMO能級(jí)約為-5.6 eV，深于Sn-based鈣鈦礦的價(jià)帶最大值(VBM約-5.1 eV)，不利于載流子提取。

研究團(tuán)隊(duì)與方法

此研究通訊作者為上海交通大學(xué)戚亞冰、復(fù)旦大學(xué)梁佳、南京理工大學(xué)徐勃教授。論文以《Tin-based perovskite solar cells with a homogeneous buried interface》為題，預(yù)計(jì)發(fā)表于Nature期刊。

為解決NiOx接口缺陷與能級(jí)不匹配的困境，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成新型SAM分子MBP((E)-(2-(4',5'-bis(4-(bis(4-methoxyphenyl)amino)phenyl)-[2,2'-bithiophen]-5-yl)-1-cyanovinyl)phosphonic acid)，用于NiOx界面修飾。MBP策略的核心在于：

1. 界面均勻化： MBP分子膜在NiOx表面形成高度均勻接口，RMS粗糙度降至1.87 nm。此舉優(yōu)化了能級(jí)對(duì)齊，增強(qiáng)空穴提取。

2. 超潤濕底層引導(dǎo)： MBP提供了超潤濕底層，促進(jìn)均勻、高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜生長。這有效松弛了薄膜殘余壓應(yīng)力，并降低缺陷密度，最小化非輻射復(fù)合損失。

核心成果與改進(jìn)

該策略實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的倒置TPSCs性能。小面積器件(0.04 cm2) PCE達(dá)17.89%（經(jīng)認(rèn)證17.71%）。這是NiOx基HTL系統(tǒng)超越PEDOT:PSS的最高PCE紀(jì)錄。大面積(1 cm2)器件PCE達(dá)14.40%。此外，器件展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，環(huán)境儲(chǔ)存1344 h后PCE保持率超過95%。（Fig. 4d）

2. 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂 (QFLS) 表征與界面缺陷解析

準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂 (QFLS)，記作 E_F,split 或 QFLS，在光電領(lǐng)域扮演著定量評(píng)估非輻射復(fù)合損失的關(guān)鍵角色。在太陽能電池中，QFLS 的值越高，通常代表光生載流子在吸收體層中的壽命越長、缺陷密度越低，且開路電壓 (VOC) 損失越小。

QFLS 測量與數(shù)據(jù)來源

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)利用光致發(fā)光量子產(chǎn)率 (PLQY) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果來估算 QFLS 值。PLQY 測量（圖 3f）結(jié)果顯示，Sn-based 鈣鈦礦薄膜在不同 HTL 上的量子產(chǎn)率差異明顯：

• NiOx HTL 上的薄膜 PLQY 為 1.3%。

• NiOx/MBC HTL 上的薄膜 PLQY 達(dá)到 3.5%。

• NiOx/MBP HTL 上的薄膜 PLQY 顯著提高至 4.5%。

圖 3g 展示了由這些 PLQY 值估算得到的 QFLS 數(shù)據(jù)：

• NiOx: QFLS = 0.98      V。

• NiOx/MBC: QFLS =      1.01 V。

• NiOx/MBP: QFLS =      1.02 V。

QFLS 值遵循 NiOx < NiOx/MBC < NiOx/MBP 的趨勢。NiOx/MBP HTL 上的薄膜表現(xiàn)出最高的 PLQY (4.5%) 和 QFLS (1.02 V)，這結(jié)果與該系統(tǒng)低的VOC損失相符。

該論文使用PLQY估算QFLS (1.02 V) 并結(jié)合PL mapping，精確量化MBP接口對(duì)非輻射復(fù)合的抑制效果。EnliTech QFLS-Maper專門設(shè)計(jì)用于此類分析。它能進(jìn)行QFLS影像、PLQY及Pseudo J-V測量，在3秒內(nèi)可視化顯示QFLS分布，并快速預(yù)測iVOC與材料效率極限。這套系統(tǒng)可快速且精準(zhǔn)地執(zhí)行論文中的接口缺陷與性能潛力分析。

QFLS 在載子動(dòng)力學(xué)解析中的作用

QFLS 的提升直接量化了 MBP 分子對(duì)接口缺陷的有效鈍化作用。非輻射復(fù)合損失是 VOC 缺陷的主要來源。由于 MBP 提供了：

1. 均勻的界面： MBP 顯著降低了 NiOx 表面的 RMS 粗糙度（降至 1.87      nm），避免了 NiOx 與電子傳輸層 (ETL) 之間的直接接觸，從而抑制了接口載流子復(fù)合。（圖1a）
        

2. 優(yōu)化的晶體質(zhì)量： MBP 形成的超潤濕底層促進(jìn)了均勻、高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜的形成，并有效松弛了殘余壓應(yīng)力。GIWAXS 分析證實(shí)，在      NiOx/MBP 上沉積的薄膜具有最高的晶體相純度。（圖3a-c）
        
        
        

3. 抑制 Sn?? 缺陷： XPS 分析顯示，NiOx/MBP      系統(tǒng)的 Sn??/Sn2? 比例低，表明 MBP 有效地抑制了 Sn?? 空位缺陷的產(chǎn)生。（圖3e）
        

這些物理優(yōu)化共同導(dǎo)致非輻射復(fù)合損失最小化。因此，最高的 QFLS 值 (1.02 V) 直接反映了 MBP 在鈍化接口缺陷方面。

PL 映射表征

研究團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了 PL 映射 (PL mapping) 測量，以評(píng)估 Sn-based 鈣鈦礦薄膜在不同 HTL 上大面積的均勻性（圖 3i，面積為 0.5 cm × 0.5 cm）。結(jié)果顯示，在 NiOx/MBP HTL 上的薄膜 PL 強(qiáng)度分布均勻性最高，這表明薄膜的整體質(zhì)量均一，且接口交互作用一致。此外，NiOx/MBP 薄膜的 PL 映射強(qiáng)度低，進(jìn)一步證實(shí)了 MBP 接口層實(shí)現(xiàn)了有效率的空穴提取，這與時(shí)間分辨光致發(fā)光 (TRPL) 測量結(jié)果一致。

3. 光電性能表征細(xì)節(jié)

器件的光電性能（J–V 曲線）是在 Enlitech SS-X100R 模擬器提供的 AM 1.5 G 光照 (100 mW/cm2 ) 下，使用 Keithley 2400 源表測量的。光強(qiáng)度是利用 Enlitech SRC-2020-KG1-RTD 標(biāo)準(zhǔn)硅參考電池校準(zhǔn)的。此外，入射光子到電子的轉(zhuǎn)換效率 (IPCE，即 EQE) 譜是使用 Enlitech QE-R 系統(tǒng)測量的。

圖 4b 展示了 TPSCs 的 J-V 曲線。NiOx/MBP 器件的最佳 PCE 達(dá) 17.89%，對(duì)應(yīng)的開路電壓 (VOC) 為 0.99 V，短路電流密度 (J_SC) 為 22.48 mA/cm2，填充因子 (FF) 為 80.66%。

圖 4e 的 IPCE 譜顯示，NiOx/MBP 器件的積分 J_SC 為 21.28 mA/cm2，在整個(gè)光譜范圍內(nèi)表現(xiàn)出最高的有效光吸收能力。這些性能提升主要?dú)w因于均勻接口、空穴提取增強(qiáng)及接口能耗降低。

結(jié)論與研究成果：均勻埋藏界面在TPSCs中的核心貢獻(xiàn)

此研究藉由設(shè)計(jì)MBP自組裝分子膜，實(shí)現(xiàn)了倒置TPSCs埋藏接口的優(yōu)化，提升了光電轉(zhuǎn)換效率與長期穩(wěn)定性。

I. 接口工程與功能性提升

• 關(guān)鍵策略： 在氧化鎳(NiOx)空穴傳輸層(HTL)上引入新型MBP自組裝分子膜，改善埋藏界面特性。

• 界面均勻性與能級(jí)匹配： MBP分子膜在NiOx表面形成高度均勻的界面層，相較于2PACz降低了表面粗糙度(RMS粗糙度降至1.87      nm)。同時(shí)，MBP創(chuàng)造了有利的能級(jí)對(duì)齊，增強(qiáng)空穴提取效率。

• 薄膜生長與缺陷控制： MBP接口層創(chuàng)造了超潤濕底層，引導(dǎo)高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜的生長。這進(jìn)一步緩解了薄膜內(nèi)的殘余壓應(yīng)力，GIWAXS分析證實(shí)此系統(tǒng)的晶體相純度最高。此外，XPS分析證實(shí)MBP有效抑制了Sn4+缺陷的產(chǎn)生，降低了缺陷密度。

II. QFLS的核心貢獻(xiàn)與載子動(dòng)力學(xué)解析

• 定量評(píng)估： 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂(QFLS)表征是驗(yàn)證界面優(yōu)化效果的核心指標(biāo)，用于量化非輻射復(fù)合損失的減少程度。

• QFLS數(shù)據(jù)結(jié)果：      NiOx/MBP薄膜顯示最高的PLQY(4.5%)，其QFLS估算值達(dá)到1.02 V(圖3g)。此最高的QFLS值為MBP有效鈍化接口缺陷、減少非輻射復(fù)合損失提供了定量證據(jù)。

• 電學(xué)左證： 電化學(xué)阻抗譜(EIS)結(jié)果支持QFLS的發(fā)現(xiàn)： ? NiOx/MBP器件顯示低的電荷傳輸電阻(Rct=315.4      Ω)，表明空穴提取與傳輸效率高。 ?      NiOx/MBP器件顯示最高的載流子復(fù)合電阻(Rrec=1103 Ω)，表明接口缺陷密度低且載流子復(fù)合受到有效抑制。

III. 創(chuàng)紀(jì)錄的光電性能與領(lǐng)域突破

• 小面積效率紀(jì)錄： 最佳倒置TPSCs（面積0.04      cm2）實(shí)現(xiàn)了17.89%的PCE，并獲得中國國家光伏產(chǎn)業(yè)計(jì)量檢測中心(NPVM)認(rèn)證的17.71%效率紀(jì)錄。

• 技術(shù)里程碑： 這是NiOx基HTL系統(tǒng)在TPSCs中超越了傳統(tǒng)PEDOT:PSS系統(tǒng)所達(dá)到的最高PCE紀(jì)錄。

• 大面積可擴(kuò)展性： 1 cm2大面積TPSCs亦取得了14.40%的PCE，證明了MBP接口工程策略具有可擴(kuò)展性與潛力。

IV. 優(yōu)異的穩(wěn)定性表現(xiàn)

• 環(huán)境儲(chǔ)存穩(wěn)定性： 封裝器件在環(huán)境儲(chǔ)存1344 h后，PCE仍保持超過95%的初始效率。（Fig.4g）

• 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性： 在1-sun照明下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)1550 h后，PCE保持率約為94.7%。（Fig.4h）

文獻(xiàn)參考自Nature_DOI: 10.1038/s41586-025-09724-2

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