Nature:硼酸功能化SAM 解決NiOx腐蝕/接口不均

發表時間：2025/7/16 14:39:48

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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。