协同自组装界面工程技术辅助开发抗弯且高效的柔性钙钛矿太阳能电池

《Advanced Science》：Co-Self-Assembled Interface Engineering Assisted for Bend-Resistant and Efficient Flexible Perovskite Solar Cells

钙钛矿太阳能电池中，通过引入4-硝基苯基磷酸（PNPP）与[4-(3,6-二甲基-9H-咔唑-9-yl)丁基]膦酸（Me-4PACz）共自组装单层（Co-SAM）修饰，优化了NiO_x/钙钛矿界面。实验表明，Co-SAM显著提升了表面均匀性、水润性及晶体取向，同时钝化了界面缺陷，使转换效率从21.46%提升至23.66%。经10,000次弯曲循环后，器件仍保持80%初始效率，且PNPP有效捕获PbI2，减少铅泄漏

　　近年来，柔性钙钛矿太阳能电池（F-PSCs）因其卓越的机械灵活性和较高的光电转换效率（PCE）而受到广泛关注。然而，F-PSCs的性能仍面临诸多挑战，尤其是在器件底部界面处存在的缺陷问题。这些缺陷，包括氧空位、未配位的镍离子以及铅离子等，不仅限制了钙钛矿层的晶体生长，还导致了严重的非辐射复合，从而影响了器件的整体效率和稳定性。为此，研究者们探索了多种界面修饰策略，其中自组装单层（SAMs）因其在能量调控和界面特性调整方面的强效而备受青睐。然而，传统的SAMs在某些方面仍存在局限，例如其分子结构可能导致表面润湿性不足、界面不均匀等问题，进而影响钙钛矿层的均匀性和质量。为了解决这些问题，研究人员提出了一种新的共自组装单层（Co-SAM）策略，通过将4-硝基磷酸（PNPP）引入到[4-(3,6-二甲基-9H-咔唑-9-基)丁基]磷酸（Me-4PACz）中，从而优化F-PSCs底部界面的性能。

这项研究的核心在于通过Co-SAM策略改善NiO?/钙钛矿（PVK）界面。通过引入PNPP，研究人员显著提升了NiO?/Me-4PACz层的表面润湿性和均匀性。PNPP分子中的硝基（─N═O）和磷酸基团（─P═O）在界面处发挥了重要作用，它们分别与NiO?表面的未配位金属离子缺陷和钙钛矿层底部的铅离子缺陷发生特异性相互作用。这些相互作用有效抑制了非辐射复合，同时促进了电荷的提取和传输，从而提升了F-PSCs的光电转换效率。在实验中，F-PSCs的效率从21.46%提升至23.66%，这标志着Co-SAM策略在优化界面性能方面的成功。

此外，PNPP的引入还改善了钙钛矿层的结晶取向。通过第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，研究人员发现PNPP与钙钛矿层之间具有强结合能力，这有助于提高钙钛矿的结晶质量，减少晶格缺陷，从而优化电荷传输路径。同时，PNPP还具有优异的铅碘（PbI?）捕获能力，这不仅有助于减少铅离子的泄漏，还为环境友好型太阳能电池的设计提供了新的思路。通过Co-SAM策略，不仅提升了钙钛矿薄膜的均匀性和稳定性，还增强了其机械性能，使F-PSCs在经历10,000次弯曲循环后仍能保持80%的初始效率，展现出良好的机械柔韧性和长期运行稳定性。

为了进一步验证这一策略的可行性，研究人员通过多种实验手段，如接触角测量、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）等，对Co-SAM策略的影响进行了系统分析。接触角测试表明，Co-SAM修饰后的表面具有更强的润湿性，这有助于钙钛矿前驱体的均匀分布和薄膜形成。AFM数据显示，Co-SAM修饰后的NiO?表面粗糙度显著降低，表明界面更加平滑和均匀。XPS和FTIR分析进一步揭示了PNPP与NiO?之间的化学相互作用，特别是通过氧配位形成稳定的电荷转移复合物，从而改善界面的电子传输特性。XRD结果也表明，Co-SAM的引入促进了钙钛矿层的有序结晶，提升了其结晶质量。

在光电器件性能测试方面，研究人员构建了p-i-n结构的F-PSCs，并对其性能进行了评估。结果表明，Co-SAM策略显著提高了器件的光电转换效率，从21.46%提升至23.66%。这一提升主要得益于更优的界面能级对齐、更高效的电荷提取以及更少的非辐射复合损失。此外，实验数据还显示，Co-SAM修饰后的器件在不同PNPP浓度下均表现出优异的性能，其中在0.3或0.5 mg/mL的PNPP浓度下，器件的效率得到了显著提升。然而，当PNPP浓度超过1 mg/mL时，短路电流密度（Jsc）开始下降，这可能是由于PNPP的绝缘特性对电荷传输产生了负面影响。尽管如此，Co-SAM策略仍然有效提升了开路电压（Voc）和填充因子（FF），表明其在优化界面电荷传输方面具有重要价值。

为了进一步评估Co-SAM策略对器件机械性能的影响，研究人员进行了弯曲测试。结果表明，Co-SAM修饰后的F-PSCs在经历10,000次弯曲循环后仍能保持80%的初始效率，而传统SAM修饰的器件则只能保持约59%。这说明Co-SAM策略在增强钙钛矿层的机械强度和稳定性方面具有显著优势。通过扫描电子显微镜（SEM）和峰值力定量纳米机械映射（PFQNM）技术，研究人员观察到Co-SAM修饰后的钙钛矿层具有更小的内应力，这有助于减少薄膜的裂纹形成，从而提升器件的机械耐久性。这些结果表明，Co-SAM不仅改善了钙钛矿薄膜的结构和性能，还显著增强了其机械可靠性。

从更广泛的应用角度来看，Co-SAM策略不仅适用于小面积柔性太阳能电池，还能够扩展到大面积的刚性模块和柔性模块。实验数据显示，经过Co-SAM修饰的大面积刚性模块和柔性模块分别达到了17.01%和15.72%的效率，这为未来钙钛矿太阳能电池的大规模生产和实际应用提供了有力支持。此外，研究团队还开发了一个由F-PSCs驱动的太阳能飞机模型，该模型能够在户外阳光和模拟太阳能条件下高效运行，这进一步验证了柔性钙钛矿太阳能电池在移动能源系统中的巨大潜力。

总体而言，这项研究通过Co-SAM策略成功优化了F-PSCs的底部界面，显著提升了其光电转换效率和机械稳定性。PNPP的引入不仅改善了界面的化学性质，还通过增强电荷传输、减少非辐射复合和提高钙钛矿层的结晶质量，为下一代高性能柔性钙钛矿太阳能电池的开发提供了新的方向。同时，PNPP在铅回收和环境管理方面的应用潜力也得到了充分展示，这使得其在钙钛矿太阳能电池系统中具有多功能性和可持续性价值。这些成果为推动钙钛矿太阳能电池在可穿戴设备、建筑一体化光伏（BIPV）和移动能源等领域的应用提供了坚实的理论和实验基础。