Fluolab【Adv.Mater.】四川大学赵德威、陈聪|刷爆纪录！基于NiOx的锡铅钙钛矿电池效率达22.98%，四端叠层效率突破30.38%
文章标题：Molecular Modification Strategy for Efficient -based Tin-Lead Perovskites Solar Cells and All-perovskite Tandems
通讯作者：Cong Chen, Dewei Zhao
文章概要
引言
全钙钛矿叠层太阳能电池因其有望超越单结电池的理论效率极限而备受瞩目，其中窄带隙锡铅钙钛矿底电池的性能是决定整体效率的关键瓶颈。尽管传统的有机空穴传输材料在效率与稳定性平衡上面临巨大挑战，性能优异且成本低廉的无机氧化镍（） 被视为极具潜力的替代底衬。然而，氧化镍与锡铅钙钛矿之间的界面相容性较差，其表面存在的强氧化性物种会导致二价锡离子的氧化和严重的能量势垒错配，极大限制了器件的填充因子和开路电压。为了攻克这一多功能界面的改性难题，本研究创新性地提出了一种修饰剂协同调控策略，为构筑高效率、高稳定性的反式锡铅钙钛矿电池及叠层器件开辟了全新途径。
Adsorbed states of (a) ─SO3− and (b) ─OH on NiOx films. (b) Differential charge density of —SO3− and ─OH on NiOx films. KPFM images of (c) NiOx and (d) Modulated NiOx films. XPS spectra of Ni 2p for (e) NiOx and (f) Modulated NiOx films. XPS spectra of O 1s for (g) NiOx and (h) Modulated NiOx films. Fermi regions of (i) NiOx and (j) Modulated NiOx films. Secondary electron cut-off of (k) NiOx and Modulated (l) NiOx films.
主要实验及结论
研究人员巧妙地在氧化镍薄膜表面引入了2-羟基乙烷磺酸铵（AHES） 分子层。在理论计算和实验表征中，AHES展现出了独特的多功能钝化与调控机制。分子中的磺酸根负离子（） 倾向于与氧化镍表面的三价镍离子发生双齿锚定结合，这种强相互作用不仅显著改善了薄膜的形貌与粗糙度，还成功诱导了电荷的快速耗尽。通过紫外光电能谱与开尔文探针力显微镜测试证实，改性后的氧化镍薄膜功函数显著增大，费米能级下移，呈现出更强的p型半导体特性，从而实现了极佳的能量级匹配，大幅加速了空穴的提取与传输。
Top-view SEM images of buried Sn–Pb perovskite films on (a) NiOx and (b) Modulated NiOx films. Top-view SEM images of Sn-Pb perovskite films on (c) NiOx and (d) Modulated NiOx films. XRD patterns of perovskite films on (e) NiOx and (f) Modulated NiOx films. XPS spectra of Sn 3d for perovskite films on (g) NiOx and (h) Modulated NiOx films. (i) Adsorption energies of ─SO3− and ─OH with Sn2+ in Sn–Pb perovskite. (j) I 3_d_ of perovskite and perovskite with AHES. (k) 1H NMR spectra of AHES and perovskite with SnI2. (l) PLQY of Perovskite, NiOx/Perovskite, and Modulated NiOx/Perovskite.
与此同时，这种分子修饰层对上层钙钛矿薄膜的结晶生长也起到了至关重要的调控作用。AHES中的羟基（）作为路易斯碱，能够提供孤对电子并与碘离子形成坚固的氢键，协同磺酸根与二价锡离子的静电相互作用，有效减缓了锡组分的过快结晶。这种调控使得锡铅钙钛矿薄膜展现出显著的（100）和（200）优选晶向，大幅增加了晶粒尺寸，降低了晶界密度，并成功抑制了氟化亚锡的异常析出。更重要的是，AHES屏障有效隔绝了底衬氧化性物种对二价锡的侵害，显著抑制了缺陷与空位密度，将非辐射复合损失降至极低。
(a) J–V curves, (b) EQE spectra and integrated J_SC, (c) Mott–Schottky curves, (d) dark I–V curves of devices with NiO_x and Modulated NiOx films. (e) EIS curves of different Sn–Pb PSCs. (f) Δ_V_OC, nonrad of devices with NiOx and Modulated NiOx films. (g) tDOS of devices with NiOx and Modulated NiOx films. (h) Continuous MPP tracking of different encapsulated Sn–Pb PSCs under simulated AM 1.5G solar illumination in ambient atmosphere at room temperature.
得益于界面电荷传输通道的优化和体相结晶质量的飞跃，构筑的单结锡铅钙钛矿太阳能电池展现出了令人惊艳的光电性能。在标准太阳光照下，目标器件成功实现了22.98%的最高光电转换效率，相比于对照组的20.02%有了跨越式的提升。在不间断的连续光照最大功率点（MPP）跟踪测试中，封装器件在运行212小时后仍能保持初始效率的80%，展现出了远超传统器件的杰出运行稳定性。基于这一突破性进展，研究团队将该窄带隙底电池与宽带隙半透明顶电池进行机械堆叠，最终打造出的四端全钙钛矿叠层太阳能电池斩获了30.38%的卓越效率，跻身当前国际同类器件的最高水平行列。
(a) Schematic of 4T APTSC structure. (b) J–V curves of semi-transparent WBG PSC, LBG PSC and filtered LBG PSC. (c) EQE spectra of semi-transparent WBG PSC and filtered LBG PSC.
总结及展望
该工作成功证实了利用2-羟基乙烷磺酸铵进行分子修饰是制备高效无机底衬锡铅钙钛矿电池的切实可行策略。通过协同优化空穴传输层的电学性能与调控钙钛矿的结晶动力学，研究不仅从根本上抑制了界面非辐射复合损失，更为开发下一代超高效率、高稳定性的全钙钛矿叠层太阳能电池提供了核心的界面工程指导方案与工业化转化思路。