李炫华教授课题组Angew：优化埋底界面接触和抑制界面复合实现25.87%高效率反式钙钛矿太阳能电池

钙钛矿太阳能电池（PSCs）因其成本低、制造工艺简单、可调带隙、激子结合能低等优点，被广泛认为是一种极有前途的光伏技术。目前PSCs已经实现了26.7%的认证效率。利用无掺杂电荷传输材料的反式PSCs在重复性和迟滞效应方面比正式结构具有显著的优势。此外，还由于反式PSCs的稳定性以及兼容低温处理技术使其在钙钛矿基叠层太阳能电池中广泛应用。

氧化镍（NiO_x）是由于其较低的成本、更高的透光率和优越的稳定性常作为空穴传输材料广泛应用于反式PSCs。然而，NiO_x 空穴传输层存在与钙钛矿界面接触不佳的缺点。这一问题不仅阻碍了界面上有效的电荷转移，而且还限制了钙钛矿晶体的生长，最终导致器件性能不佳。为了解决上述问题，人们采用了许多策略，如使用有机聚合物、无机盐和自组装单分子层（SAMs）。SAMs被认为是改善NiO_x基器件下界面的有效方法。尽管SAMs被广泛应用，但SAMs端基存在不能有效钝化钙钛矿薄膜底表面缺陷的问题。

Me-4PACz自组装材料被认为是解决反式钙钛矿太阳能电池（PSCs）中氧化镍（NiO_x）表面问题的一种非常有效方法。然而，其不均匀的成膜性和不能有效钝化钙钛矿薄膜底部缺陷的问题，限制了器件性能的提高。因此，西北工业大学李炫华教授课题组引入了含有双磷酸基（-PO₃H₂）的对亚苯基二膦酸（p-XPA）作为NiO_x/Me-4PACz与钙钛矿层之间的界面层。P-XPA不仅可以优化空穴传输层表面平整度和界面接触。同时，还能实现更好的能级对齐。此外，p-XPA的-PO₃H₂可以与Pb²⁺螯合，与FA⁺（甲脒离子）形成氢键，从而钝化钙钛矿薄膜底部缺陷，抑制埋底界面的非辐射复合损失。最终，p-XPA修饰的器件实现了25.87%的冠军功率转换效率（PCE)（认证为25.45%）。p-XPA修饰的器件也表现出较好的操作和热稳定性。相关论文发表于Angew. Chem. Int. Ed.，第一作者为何希来，通讯作者为李炫华教授、曹琦博士后。

本文亮点在于：

（1）通过引入p-XPA促进了SAMs均匀化，优化了界面接触和能级排列，降低了载流子转移势垒；

（2）p-XPA分子带有的两个磷酸基（-PO₃H₂）不仅可以与Pb²⁺结合，还与FA⁺形成氢键，钝化了钙钛矿薄膜底表面缺陷，最终实现了25.87%的转换效率（认证为25.45%），同时器件的操作和热稳定性也得到了提升。

图1. p-XPA对空穴传输层表面形貌和电学性能的影响

作者利用动态旋涂的方法在NiO_x/Me-4PACz与钙钛矿层之间引入了p-XPA界面层（图1a）。AFM证明，引入p-XPA界面层后，空穴传输层粗糙度减小，SAMs更加均匀，从而为钙钛矿薄膜生长提供了良好的基底（图1b-c）。同时，经过p-XPA修饰后，空穴传输层的表面电势降低，使得载流子在界面处传输效率得到提升（图1d-e）。此外，引入p-XPA后，空穴传输层的电导率以及空穴迁移率都得到明显提升（图1f-g），从而降低了载流子在NiO_x/Me-4PACz与钙钛矿层界面处非辐射复合损失。

图2. 钙钛矿薄膜表面形貌和光学性能。

p-XPA界面层的引入，显著提升了钙钛矿薄膜的质量。SEM测试结果表明，经过p-XPA修饰，钙钛矿薄膜的晶粒尺寸从308.82 nm增加到510.35 nm（图2a-b）。AFM测试结果表明，钙钛矿薄膜上表面粗糙度降低，有利于与电子传输层接触，从而降低电子在钙钛矿薄膜与电子传输层之间的损失（图2c-d）。此外，PL，TRPL测试结果进一步证明了钙钛矿薄膜缺陷得到了有效钝化（图2f-g）。TRPL mapping测试结果证明了目标钙钛矿薄膜比对照组具有更均匀、更长的载流子寿命，表明目标钙钛矿薄膜缺陷较少，质量较高（图2h-i）。

图3. p-XPA与钙钛矿材料的作用机理。

另外通过XPS（图3a-b）、红外（图3c）以及核磁（图3d-e）等测试证明了，p-XPA分子可以与Pb²⁺螯合以及与FA⁺之间形成氢键，从而能有效钝化钙钛矿薄膜底部缺陷，降低了空穴传输层与钙钛矿层之间的非辐射复合损失。

图4. 光电性能。

经过p-XPA修饰后，HLT的能级与钙钛矿层能级更加匹配，从而降低了载流子在两者之间的转移势垒。同时器件内建电场的增大，为载流子分离提供了更大的动力，抑制了载流子非辐射复合。最终，器件的光电转换效率达到了25.87%（认证效率为25.45%）。

图5. 器件的热稳定性以及操作稳定性。

此外，引入p-XPA界面层后，器件的热稳定性以及操作稳定性都得到了提升。封装的目标器件在50℃条件下，最大功率点监测1100小时后，效率仍然保持82.7%的初始效率（图5c）。在N₂气氛围中，85℃加热条件下老化33天后，p-XPA修饰的器件仍然保持80.3±1.8%的初始效率（图5d）。

总结与展望

本工作通过在NiO_x/Me-4PACz与钙钛矿层之间引入界面层，优化了空穴传输层表面平整度，改善了界面接触，抑制了钙钛矿底面缺陷。最终，器件的PCE达到了25.87%（认证效率为25.45%），稳定性也得到明显改善。该工作选用具有双边钝化基团的分子作为修饰材料，不仅提高器件的稳定性，还提升了效率，为未来改善钙钛矿太阳能电池的性能提供了一种新的策略。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Enhancing Hole Transport Uniformity for Efficient Inverted Perovskite Solar Cells through Optimizing Buried Interface Contacts and Suppressing Interface Recombination

Xilai He, Hui Chen, Jiabao Yang, Tong Wang, Xingyu Pu, Guangpeng Feng, Shiyao Jia, Yijun Bai, Zihao Zhou, Qi Cao, Xuanhua Li

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202412601

作者介绍

何希来，西北工业大学李炫华教授博士研究生，研究方向为钙钛矿太阳能电池界面改性以及稳定性。

曹琦，西北工业大学李炫华教授博士后，主要开展NiO_x基反式钙钛矿太阳能电池的相关研究。以一作或者通讯作者身份在Sci. Adv.，Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater.等学术刊物上发表16篇研究论文。

李炫华，男，西北工业大学材料学院二级教授，长期从事光催化与太阳能材料研究，主持包括JKW前沿创新项目、国家重点研发计划课题、基金委国际合作项目、面上项目（3项）等国家级研究项目，获得三千万级纵向技术开发合同。以通讯作者在Science, Nat. Energy，Nat. Commun., Sci. Adv.等国际期刊发表论文100余篇，授权国家发明专利33项，成果获得中国材料研究学会科学技术奖一等奖（排名一）。入选国家级青年人才，获得陕西省杰青，担任陕西省重点科技创新团队负责人，受聘2个省部级重点实验室副主任和英国伦敦玛丽女王大学客座教授。

https://www.x-mol.com/university/faculty/49924