研究困难与挑战
宽能隙 (WBG) 子电池中，作为空穴传输层的氧化镍 (NiOx) 与自组装单分子层 (SAMs) 之间的接口接触问题，严重限制了器件的效率和稳定性。
现有技术存在以下主要挑战：
•NiOx腐蚀问题：传统上广泛使用的SAMs，例如含有磷酸(PA)作为锚定基团的 SAMs (PA-SAMs)，其酸性较强，容易腐蚀具有化学反应性的NiOx层，会损害NiOx层的完整性和功能，进而削弱器件的稳定性。
•SAM分子聚集与接口问题： 传统SAMs分子在NiOx表面容易发生聚集现象，不均匀的成膜会导致接口损失，影响载流子传输效率，并造成显着的开路电压(VOC)损失。
研究团队与成就
这篇对于高效能全钙钛矿迭层太阳能电池的突破性研究，由中国科学院宁波材料技术与工程研究所葛子义和刘畅团队领导，发表在国际顶尖科学期刊Nature Communications。
研究团队成功开发了酸性较弱的硼酸功能化SAM，不仅有效抑制了对NiOx的腐蚀，还能形成更均匀、结合力更强的接口层，显着提升了全钙钛矿迭层太阳能电池的效率，并大幅增强了器件的长期运行稳定性。
图S6：解决的原始问题（腐蚀）
研究的核心成就包含：
•解决NiOx腐蚀问题：成功开发酸性较弱的自组装单分子层 (SAMs)，显着降低对氧化镍(NiOx)空穴传输层的腐蚀，提升接口稳定性。
•改善 SAM 成膜质量：新型SAM展现出更强的接口结合力与更均匀的成膜特性，有效克服传统SAM分子易聚集、覆盖不均的问题，降低接口损失。
•优化钙钛矿薄膜品质：改良后的接口促进钙钛矿晶体更均匀生长，减少缺陷，并有效抑制光照引起的相分离，提升薄膜质量与稳定性。
•显着提升器件效率：单结宽能隙 (WBG) 子电池效率由 18.9% 提升至 20.1%；全钙钛矿迭层太阳能电池 (TSCs) 效率更达到 28.5%。
•大幅增强运行稳定性：研究成果大幅提高了器件的稳定性，全钙钛矿迭层电池在连续光照 500 小时后仍能保持初始效率的 90%。
实验步骤与过程
制备界面材料与薄膜：研究团队制备多种自组装单分子层(SAMs)材料，并在ITO导电玻璃上依序沉积NiOx层与SAMs，形成ITO/NiOx/SAMs薄膜结构。同时制备传统SAM材料(如Me-4PACz)作为对照组。部分样品制备后以乙醇旋涂清洗，去除残留分子。
制作单结宽能隙太阳能电池：以制备的ITO/NiOx/SAM薄膜作为空穴传输层，旋涂沉积宽能隙钙钛矿薄膜，再依序沉积电子传输层(C60、ALD SnO2)和银电极，完成单结宽能隙电池制作。
制作全钙钛矿迭层太阳能电池：将宽能隙子电池与窄能隙钙钛矿子电池整合，构建双端全钙钛矿迭层太阳能电池。完整结构为：ITO/NiOx/SAM/宽能隙钙钛矿/C60/SnO2/Au/PEDOT:PSS/窄能隙钙钛矿/C60/BCP/Ag。
评估电池效能：在标准测试条件(1 sun, 100 mW/cm2)下，测量单结和迭层电池的电流-电压特性，评估光电转换效率、开路电压、短路电流密度及填充因子等关键参数。同步进行稳态功率输出追踪和外部量子效率量测。
进行稳定性测试：对封装后的迭层电池进行最大功率点连续光照追踪测试，持续500小时以评估长期运行稳定性。另外进行85℃高温光照老化测试，验证电池的热稳定性能。
表征手法与结果
准费米能阶分裂 (QFLS)
衡量材料在光照下最大理论开路电压 (iVOC) 的指标，直接反映非辐射复合损失的程度。研究发现，与纯钙钛矿薄膜的QFLS相比，接触传统Me-4PACz接口的钙钛矿QFLS显着降低至 1.296 eV，表明严重的接口复合。使用新型S-BA-SAM处理后， QFLS 仅从1.326 eV轻微降低至1.322 eV，接近纯薄膜值，如图5f。直接证明S-BA-SAM大幅减少了 NiOx/钙钛矿界面的非辐射复合损失。
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电流-电压 (J-V) 特性与稳态功率输出(SPO)测试
量测太阳能电池在标准光照下的光电转换性能，并评估器件的稳定性。进行标准 J-V 测试需使用符合 AM1.5G 光谱标准的太阳光模拟器。Enlitech的SS-X 系列太阳光模拟器在多篇文献中被引用，提供高度精确且稳定的光照。
图 6c展示了子电池及最终迭层电池的 J-V 曲线。经过新型 S-BA-SAM 优化后，宽能隙 (WBG) 子电池效率从对照组的 18.9% 提升至 20.1%。最终组装的全钙钛矿迭层电池实现了最高 28.5% 的效率。
图 6d的稳态功率输出曲线显示，器件在连续 1 sun 光照追踪 500 小时后，仍能保持初始效率的 90%，展现出优异的长期稳定性。
外量子效率 (EQE)
研究团队使用了 Enlitech 的 REPS 量测仪器进行了 EQE量测，量测器件在不同波长光照下产生电流的效率，用于分析器件对不同光谱的响应并计算理论短路电流密度 (JSC)，与 J-V 测试结果相互验证。
图 6e呈现了全钙钛矿迭层电池的 EQE 谱线，显示了宽能隙子电池在短波长区域（约 300-750 nm）和窄能隙 (NBG) 子电池在长波长区域（约 650-900 nm）的有效量子效率。从 EQE 积分计算得到的子电池 JSC 值 (16.0 和 16.2 mA cm-2) 与 J-V 测试结果吻合良好，证实了性能数据的准确性。
光致发光量子效率 (PLQY)
反映材料或薄膜辐射复合的效率，与非辐射复合损失呈负相关。
图S54：NiOx/Me-4PACz/钙钛矿样品的 PLQY显着低于纯钙钛矿薄膜，再次确认了严重的接口复合。而 NiOx/S-BA-SAM/钙钛矿样品表现出更高的 PLQY (0.247%)，与 QFLS 结果一致，证明新型 SAM 有效抑制了接口复合。
原子力显微镜 (KPFM)
量测表面电势差 (CPD)，分析材料功函数和接口的能级排列、均匀性及缺陷分布。
图 1h-o：NiOx/SAM 表面KPFM影像与 CPD 分布图显示，S-BA-SAM 处理的NiOx表面 CPD分布更窄，表明SAM层更均匀。
图 4a-e：钙钛矿埋入接口KPFM分析也表明S-BA-SAM处理的接口CPD分布FWHM更窄，且光照老化后电势变化小，说明接口更均匀稳定。
X光电子能谱 (XPS)
分析材料表面元素组成和化学态，特别用于研究 SAM 与NiOx之间的相互作用和NiOx的化学变化。
图 1g：Ni 2p3/2 XPS 谱线显示，S-BA-SAM 处理的NiOx相比 Me-4PACz 处理的峰位有向低结合能偏移，表明S-BA-SAM与NiOx之间存在更强的电荷转移和相互作用。
掠角入射 X 射线绕射 (GIXRD) / 广角 X 射线散射 (GIWAXS)
分析薄膜的晶体结构、晶粒取向和应力。
图 3i-k：GIWAXS 谱图显示，对照组薄膜出现晶格畸变引起的衍射峰分裂，而 S-BA-SAM 薄膜则无此现象，表明应力较小，S-BA-SAM 有利于钙钛矿薄膜形成更佳的 (100) 取向，有利于载流子传输。
电感耦合电浆体发射光谱 (ICP-OES)
量测溶液中金属元素的含量，用于评估 SAM 对NiOx薄膜的腐蚀程度。
图S6：将 ITO/NiOx 薄膜浸泡在不同 SAM 溶液后，使用 S-BA-SAM 溶液浸泡的薄膜释放的镍含量 (29 ug/L) 远低于使用 Me-4PACz 溶液的薄膜 (87 ug/L)，直接证实了新型 S-BA-SAM 显着减轻了对NiOx层的腐蚀作用。
密度泛函理论 (DFT) 与分子动力学 (MD) 模拟
深入理解 SAM 分子与NiOx表面之间的吸附机制、结合能、电荷分布、能级以及 SAM 形成过程中的分子行为。
图 1a-f： DFT 计算得到的 SAM 分子在NiOx表面（包括含氧空位表面）的吸附构型、差分电荷密度和电子局域函数 (ELF) 图。计算结果表明 S-BA 与NiOx之间有更强的结合能，特别是苯并噻吩头基与 Ni 之间存在额外的相互作用。图S1644 的 MD 模拟则展示了 SAM 分子在表面的分布均匀性，理论上支持了新型 SAM 有助于形成均匀薄膜的假设。
其他表征
•扫描电子显微镜 (SEM)： 观察薄膜表面和器件截面形貌，评估晶粒大小、形状、缺陷以及老化后的形貌变化。（图 6b、图 3e-h）
•光致发光分布 (PL Mapping)： 提供薄膜 PL 强度的空间分布，直观显示薄膜的均匀性和缺陷区域。（如图S50）
•时间解析光致发光 (TRPL)： 量测光生载流子的寿命，反映体相或接口的复合速率。S-BA-SAM 处理的薄膜载流子寿命更长。（图 5j）
•紫外光电子能谱 (UPS)： 确定材料的功函数和能级位置，有助于构建能级图，理解电荷传输。（图 4f）
•空间电荷限制电流 (SCLC) 分析： 评估空穴传输层的载流子迁移率和密度，S-BA-SAM 处理后空穴密度降低。（图S39）
•电化学阻抗谱 (EIS)： 分析器件内部的电荷传输和复合阻抗。S-BA-SAM 器件表现出更高的复合阻抗。（图 5i）
•接触角量测： 评估钙钛矿前驱液在 SAM 处理表面的润湿性，影响薄膜的成核和生长。（图S34）
•原位 (In-situ) UV-Vis 吸收谱和 PL 谱： 监测钙钛矿薄膜在旋涂过程中的成核和结晶动力学（图 2b, c）。
•飞行时间二次离子质谱 (TOF-SIMS)： 分析器件结构中各元素的深度分布，用于研究光照老化过程中元素的迁移。（图S33）
•傅里叶变换红外光谱 (FTIR)： 分析 SAM 分子与钙钛矿前驱体中 FAI 分子之间的相互作用（如图 2a）。
结论
研究团队开发了一种新型弱酸性硼酸功能化自组装单分子层(S-BA-SAM)，用于改质全钙钛矿迭层太阳能电池中宽能隙子电池的NiOx电洞传输层接口。
主要研究成果如下：
界面稳定性提升：S-BA-SAM与NiOx形成稳固键结，有效抑制NiOx腐蚀，性能优于传统磷酸基SAMs，并促进在NiOx表面的均匀成膜，改善界面形态和覆盖率。
薄膜品质优化：接口改质显着优化钙钛矿薄膜结晶过程，促进均匀卤化物分布并抑制光照相分离，大幅提升薄膜质量和光稳定性。
载流子传输改善：优化后的接口特性加速载流子传输，减少非辐射复合损失，有效延长载流子寿命。
效率显着提升：采用优化接口层的宽能隙单结电池，光电转换效率从18.9%提升至20.1%。整合后的两端迭层太阳能电池更创下28.5% PCE的优异纪录。
长期稳定性：得益于宽能隙子电池的改善，迭层器件展现运行稳定性，在1 sun最大功率点追踪500小时后，仍维持初始效率90%以上。
文献参考自nature communications_DOI: 10.1038/s41467-025-59515-6
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